Нет такой вещи в жизни, как вечное спокойствие разума. Жизнь – сама по себе есть движение, и не может существовать без желаний, страха, и чувств.
Томас Хоббс
Читатель спрашивает:
Я нашла на YouTube видео с теорией о спиральном движении Солнечной системы через нашу галактику. Оно не показалось мне убедительным, но я хотела бы услышать это от тебя. Является ли оно правильным с научной точки зрения?
Сначала давайте посмотрим само видео:
Некоторые утверждения в этом видео верны. Например:
- планеты вращаются вокруг Солнца примерно в одной плоскости
- Солнечная система двигается по галактике с углом в 60° между галактической плоскостью и плоскостью вращения планет
- Солнце во время своего вращение вокруг Млечного пути, двигается вверх-вниз и внутрь-наружу по отношению к остальной галактике
Всё это так, но при этом в видео все эти факты показаны неправильно.
Известно, что планеты двигаются вокруг Солнца по эллипсам, согласно законам Кеплера, Ньютона и Эйнштейна. Но картинка слева неправильная с точки зрения масштаба. Она неправильная в смысле форм, размеров и эксцентриситетов. И хотя на диаграмме справа орбиты меньше похожи на эллипсы, орбиты планет выглядят примерно так с точки зрения масштабов.
Возьмём ещё один пример – орбиту Луны.
Известно, что Луна вращается вокруг Земли с периодом чуть менее месяца, а Земля вращается вокруг Солнца с периодом в 12 месяцев. Какая из представленных картинок лучше демонстрирует движение Луны вокруг Солнца? Если сравнить расстояния от Солнца до Земли и от Земли до Луны, а также скорость вращения Луны вокруг Земли, и системы Земля/Луна – вокруг Солнца, то окажется, что наилучшим образом ситуацию демонстрирует вариант D. Можно их преувеличить для достижения каких-то эффектов, но количественно варианты A, B и C некорректны.
Теперь перейдём к движению Солнечной системы через галактику.
Сколько в нём содержится неточностей. Во-первых, все планеты в любой момент времени находятся в одной плоскости. Нет никакого отставания, которое бы более удалённые от Солнца планеты демонстрировали по отношению к менее удалённым.
Во-вторых, вспомним реальные скорости планет. Меркурий двигается в нашей системе быстрее всех остальных, вращаясь вокруг Солнца со скоростью 47 км/с. Это на 60% быстрее орбитальной скорости Земли, примерно в 4 раза быстрее Юпитера, и в 9 раз быстрее Нептуна, который двигается по орбите со скоростью 5,4 км/с. А Солнце летит сквозь галактику со скоростью 220 км/с.
За время, требуемое Меркурию на один оборот, вся Солнечная система пролетает 1,7 миллиардов километров по своей внутригалактической эллиптической орбите. При этом радиус орбиты Меркурия составляет всего 58 миллионов километров, или всего 3,4% от того расстояния, на которое продвигается вся Солнечная система.
Если бы мы построили движение Солнечной системы по галактике в масштабе, и посмотрели бы, как двигаются планеты – мы бы увидели следующее:
Представьте, что вся система – Солнце, луна, все планеты, астероиды, кометы, двигаются с большой скоростью под углом около 60° относительно плоскости Солнечной системы. Как-то так:
Если соединить всё это вместе, мы получим более точную картинку:
А что насчёт прецессии? И также насчёт колебаний вниз-вверх и внутрь-наружу? Всё это так, но на видео это показано в чрезмерно преувеличенном и неправильно интерпретированном виде.
Действительно, прецессия Солнечной системы происходит с периодом в 26000 лет. Но не существует никакого спиралевидного движения, ни у Солнца, ни у планет. Прецессию осуществляют не орбиты планет, а ось вращения Земли.
Полярная звезда не расположена постоянно непосредственно над Северным полюсом. Большую часть времени у нас нет полярной звезды. 3000 лет назад Кохаб был ближе к полюсу, чем Полярная звезда. Через 5500 лет полярной звездой станет Альдерамин. А через 12000 лет Вега, вторая по яркости звезда в Северном полушарии, будет отстоять всего на 2 градуса от полюса. Но именно это меняется с частотой раз в 26000 лет, а не движение Солнца или планет.
Как насчёт солнечного ветра?
Это излучение, идущее от Солнца (и всех звёзд), а не то, во что мы врезаемся, двигаясь по галактике. Горячие звёзды испускают быстро двигающиеся заряженные частицы. Граница Солнечной системы проходит там, где солнечный ветер уже не имеет возможности отталкивать межзвёздную среду. Там проходит граница гелиосферы.
Теперь насчёт движений вверх и вниз и внутрь и наружу по отношению к галактике.
Поскольку Солнце и Солнечная система подчиняются гравитации, именно она доминирует над их движением. Сейчас Солнце расположено на расстоянии 25-27 тысяч световых лет от центра галактики, и двигается вокруг него по эллипсу. При этом все остальные звёзды, газ, пыль, двигаются по галактике также по эллипсам. И эллипс Солнца отличается от всех остальных.
С периодом в 220 миллионов лет Солнце совершает полный оборот вокруг галактики, проходя немного выше и ниже центра галактической плоскости. Но поскольку вся остальная материя галактики двигается так же, ориентация галактической плоскости со временем меняется. Мы можем двигаться по эллипсу, но галактика представляет собою вращающуюся тарелку, поэтому мы и двигаемся вверх-вниз по ней с периодом в 63 миллиона лет, хотя наше движение внутрь и наружу происходит с периодом в 220 миллионов лет.
Но никакого «штопора» планеты не делают, их движение искажено до неузнаваемости, видео неправильно рассказывает о прецессии и солнечном ветре, а текст полон ошибок. Симуляция сделана очень красиво, но она была бы гораздо красивее, если бы была правильной.
Любой человек, даже лежа на диване или сидя возле компьютера, находится в постоянном движении. Это непрерывное перемещение в космическом пространстве имеет самые разные направления и огромные скорости. В первую очередь, происходит перемещение Земли вокруг оси. Кроме того, совершается оборот планеты вокруг Солнца. Но и это еще не все. Куда более внушительные расстояния мы преодолеваем вместе с Солнечной системой.
Солнце является одной из звезд, находящихся в плоскости Млечного пути, или просто Галактики. Оно отдалено от центра на 8 кпк, а расстояние от плоскости Галактики составляет 25 пк. Звездная плотность в нашей области Галактики – примерно 0,12 звезд на 1 пк3. Положение Солнечной системы не является постоянным: она находится в постоянном перемещении относительно ближних звезд, межзвездного газа, и наконец, вокруг центра Млечного пути. Впервые движение Солнечной системы в Галактике было замечено Уильямом Гершелем.
Перемещение относительно ближних звезд
Скорость передвижения Солнца к границе созвездий Геркулеса и Лиры составляет 4 а.с. в год, или 20 км/с. Вектор скорости направлен к так называемому апексу – точке, к которой также направлено движение других близлежащих звезд. Направления скоростей звезд, в т.ч. Солнца, пересекаются в противоположной апексу точке, называемой антиапексом.
Перемещение относительно видимых звезд
Отдельно измеряется передвижение Солнца по отношению к ярким звездам, которые можно увидеть без телескопа. Это — показатель стандартного передвижения Солнца. Скорость такого передвижения составляет 3 а.е. в год или 15 км/с.
Перемещение относительно межзвездного пространства
По отношению к межзвездному пространству Солнечная система двигается уже быстрее, скорость составляет 22-25 км/с. При этом, под действием «межзвездного ветра», который «дует» из южной области Галактики, апекс смещается в созвездие Змееносец. Сдвиг оценивается примерно в 50.
Перемещение вокруг центра Млечного пути
Солнечная система находится в движении относительно центра нашей Галактики. Она перемещается по направлению к созвездию Лебедя. Скорость составляет около 40 а.е. в год, или 200 км/с. Для полного оборота необходимо 220 млн. лет. Точную скорость определить невозможно, ведь апекс (центр Галактики) скрыт от нас за плотными облаками межзвездной пыли. Апекс смещается на 1,5° каждый миллион лет, и совершает полный круг за 250 млн. лет, или за 1 «галактический год.
Путешествие на край Млечного пути
Движение Галактики в космическом пространстве
Наша Галактика также не стоит на месте, а сближается с галактикой Андромеды со скоростью 100-150 км/с. Группа галактик, в которую входит и Млечный путь, движется к большому скоплению Девы со скоростью 400 км/с. Сложно себе представить, а еще сложнее рассчитать, как далеко мы перемещаемся каждую секунду. Расстояния эти — огромны, а погрешности в таких расчетах пока еще достаточно велики.
Американские астрономы, используя данные, полученные космическим телескопом «Хаббл», недавно смогли впервые в истории определить скорость вращения галактики. Объектом исследования стало Большое Магелланово Облако (БМО), карликовая галактика, обращающаяся вокруг нашей собственной галактики Млечный Путь.
Руководством данного исследования занимался астроном Роланд ван дер Марель, сотрудник Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе (штат Мэриленд), а также астроном Нитья Кавалиелил, работающий с Университетом Виргинии в Шарлотсвилле.
Группа ученых сосредоточила свое внимание на движение звезд внутри соседней карликовой галактики, а точные данные космического телескопа «Хаббл» позволили исследователям соединить воедино и определить картину скорости вращения Большого Магелланова Облака. Подобное исследование впервые в истории оказалось успешным.
Путем анализа огромного числа звезд, находящихся в центральных частях карликовой галактики, ученые определили, что на полный оборот БМО уходит около 250 миллионов лет. С момента Массового пермского вымирания (одного из самых величайших вымираний всего живого в истории нашей планеты, когда погибло более 90 процентов всех морских видов и более 70 процентов наземных видов позвоночных) эта галактика провернулась всего один раз. Предыдущие исследования показали, что примерно такое же время требуется на один полный оборот Солнца и всей нашей Солнечной системы вокруг ядра Млечного Пути.
Для проведения данного исследования, ученые изучили и подсчитали среднюю скорость более сотни находящихся внутри БМО звезд. Эта задача оказалась относительно простой, так как БМО расположено всего в 170 тысячах световых лет от нас. Для сравнения: диаметр Млечного Пути составляет 100 тысяч лет.
«Изучение соседней галактики путем слежения за движением ее звезд дает нам лучшее представление о внутреннем строении дисковидных галактик. В свою очередь знание о скорости вращения галактики позволяет не только лучше понять то, как галактика образовалась, но и провести подсчет ее массы», - объясняет Кавалиелил.
«БМО является очень важной в плане изучения, потому что она расположена очень близко к Млечному Пути. Изучение самой галактики Млечный Путь представляется весьма сложной задачей, потому что вы фактически изучаете ее изнутри. Все, что вы видите, ограничивается полем зрения на небе. Все интересующие объекты в ней находятся на разных расстояниях и при этом вы сидите практически в ее середине», - продолжает объяснять ван дер Марель.
«Изучать структуру и вращение становится гораздо проще, если предметом исследования является удаленная от вас галактика», - добавляет эксперт.
Даже сидя на стуле перед экраном компьютера и кликая по ссылкам, мы физически участвуем во множестве движений. Куда же мы движемся? Где находится "вершина" движения, его апекс ?
Во-первых, мы участвуем в вращении Земли вокруг оси. Это суточное движение направлено на точку востока на горизонте. Скорость движения зависит от широты; она равна 465*cos(φ) м/сек. Таким образом, если вы находитесь на северном или южном полюсе Земли, то вы не участвуете в этом движении. А скажем, в Москве суточная линейная скорость примерно 260 м/сек. Угловую скорость апекса суточного движения относительно звезд легко посчитать: 360° / 24 часа = 15° / час.
Во-вторых, Земля, и мы вместе с ней, движется вокруг Солнца. (Мы пренебрежем маленьким ежемесячным покачиванием вокруг центра масс системы Земля-Луна.) Средняя скорость годового движения по орбите - 30 км/сек. В перигелии в начале января она чуть выше, в афелии в начале июля - чуть ниже, но поскольку орбита Земли почти точный круг, разница скоростей составляет всего 1 км/сек. Апекс орбитального движения, естественно, смещается и совершает полный круг за год. Его эклиптическая широта 0 градусов, а долгота равна долготе Солнца плюс примерно 90 градусов - λ=λ ☉ +90°, β=0. Другими словами, апекс лежит на эклиптике, опережая Солнце на 90 градусов. Соответственно, угловая скорость апекса равна угловой скорости движения Солнца: 360° / год, чуть меньше градуса в сутки.
Более масштабные движения мы осуществляем уже вместе с нашим Солнцем в составе Солнечной системы.
Во-первых, Солнце движется относительно ближайших звезд (т.н. локальный стандарт покоя ). Скорость перемещения примерно 20 км / сек (чуть больше 4 а.е. / год). Обратите внимание: это даже меньше, чем скорость Земли по орбите. Движение направлено в сторону созвездия Геркулес , а экваториальные координаты апекса α = 270°, δ = 30°. Однако, если мы померяем скорость относительно всех ярких звезд , видимым невооруженным глазом, то получим стандартное движение Солнца, оно несколько другое, меньшее по скорости 15 км / сек ~ 3 а.е. / год). Это тоже созвездие Геркулес, хотя апекс чуть смещен (α = 265°, δ = 21°). А вот относительно межзвездного газа Солнечная система движется слегка быстрее (22-25 км / сек), но апекс значительно сдвинут и попадает в созвездие Змееносец (α = 258°, δ = -17°). Этот сдвиг апекса примерно в 50° связан с т.н. "межзвездным ветром", "дующим с юга" Галактики.
Все три описанные движения это, так сказать, местные перемещения, "прогулки во дворе". Но Солнце вместе с ближайшими и вообще видимыми звездами (ведь мы практически не видим слишком уж далеких звезд), вместе с облаками межзвездного газа обращается вокруг центра Галактики - и это совсем другие скорости!
Скорость движения Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет 200 км / сек (больше 40 а.е. / год). Впрочем, указанное значение неточное, определить галактическую скорость Солнца трудно; мы ведь даже не видим, относительно чего меряем движение: центр Галактики скрыт плотными межзвездными облаками пыли. Величина постоянно уточняется и склонна к уменьшению; не так давно она принималась за 230 км / сек (часто можно встретить именно это значение), а последние исследования дают результаты даже меньше 200 км / сек. Галактическое движение происходит перпендикулярно направлению на центр Галактики и потому апекс имеет галактические координаты l = 90°, b = 0° или в более привычных экваториальных координатах - α = 318°, δ = 48°; это точка находится в Лебеде . Поскольку это движение обращения, апекс смещается и совершает полный круг за "галактический год", примерно 250 миллионов лет; угловая его скорость ~5" / 1000 лет, полтора градуса за миллион лет.
Дальнейшие движения включает уже движение целой Галактики. Измерить такое движение тоже не просто, слишком уж велики расстояния, и погрешность в цифрах еще довольно велика.
Так, наша Галактика и галактика Андромеды, два массивных объекта Местной группы галактик, гравитационно притягиваются и движутся навстречу друг к другу со скоростью около 100-150 км/сек, причем основной компонент скорости принадлежит нашей галактике. Поперечная составляющая движения точно не известна, и беспокойства о столкновении преждевременны. Дополнительный вклад в это движение вносит и массивная галактика M33, находящаяся примерно в том же направлении, что и галактика Андромеды. В целом скорость движения нашей Галактики относительно барицентра Местной группы галактик около 100 км / сек примерно в направлении Андромеда / Ящерица (l = 100, b = -4, α = 333, δ = 52), однако эти данные еще весьма приблизительны. Это весьма скромная относительная скорость: Галактика смещается на собственный диаметр за две-три сотни миллионов лет или, очень примерно, за галактический год .
Если измерить скорость Галактики относительно удаленных скоплений галактик
, мы увидим иную картину: и наша галактика, и остальные галактики Местной группы совместно как некоторое целое движутся в направлении большого скопления Девы примерно со скоростью 400 км/сек. Это движение также обусловлено гравитационными силами.
Фоновое реликтовое излучение определяет некоторую выделенную систему отсчёта, связанную с всей барионной материей в наблюдаемой части Вселенной. В каком-то смысле движение относительно этого микроволнового фона - это движение относительно Вселенной в целом (не нужно путать это движение с разбеганием галактик!). Определить это движение возможно, измерив дипольную температурную анизотропию неравномерность реликтового излучения в разных направлениях . Такие измерения показали неожиданную и важную вещь: все галактики в ближайшей к нам части Вселенной, включая не только нашу Местную группу, но и скопление Девы и другие скопления, движется относительно фонового реликтового излучения с неожиданно большой скоростью. Для Местной группы галактик она составляет 600-650 км / сек с апексом в созвездии Гидра (α=166, δ=-27). Выглядит это так, что где-то в глубинах Вселенной существует еще необнаруженный огромный кластер многих сверхскоплений, притягивающий материю нашей части Вселенной. Этот гипотетический кластер был назван Великим Аттрактором .
Как определили скорость Местной группы галактик? Конечно, фактически астрономы измерили скорость Солнца относительно микроволнового реликтового фона: она оказалась ~390 км / с с апексом с координатами l = 265°, b = 50° (α=168, δ=-7) на границе созвездий Лев и Чаша . Потом определи скорость Солнца относительно галактик Местной группы (300 км/с, созвездие Ящерица). Вычислить скорость Местной группы уже не составило труда.
| Суточное: наблюдатель относительно центра Земли | 0-465 м/сек | восток |
| Годовое: Земля относительно Солнца | 30 км / сек | перпендекулярно направлению на Солнце |
| Локальное: Солнце относительно ближайших звезд | 20 км / сек | Геркулес |
| Стандартное: Солнце относительно ярких звезд | 15 км / сек | Геркулес |
| Солнце относительно межзвездного газа | 22-25 км / сек | Змееносец |
| Солнце относительно центра Галактики | ~ 200 км / сек | Лебедь |
| Солнце относительно Местной группы галактик | 300 км / сек | Ящерица |
| Галактика относительно Местной группы галактик | ~1 00 км / сек |
Вы сидите, стоите или лежите, читая эту статью, и не ощущаете, что Земля вращается вокруг своей оси с бешеной скоростью - примерно 1 700 км/ч на экваторе. Однако скорость вращения не кажется такой уж быстрой, если перевести ее в км/с. Получится 0,5 км/с - едва заметная вспышка на радаре, в сравнении с другими окружающими нас скоростями.
Так же, как и другие планеты Солнечной системы, Земля вращается вокруг Солнца. И чтобы удерживаться на своей орбите, она двигается со скоростью 30 км/с. Венера и Меркурий, находящиеся ближе к Солнцу, двигаются быстрее, Марс, орбита которого проходит за орбитой Земли, движется намного медленнее нее.
Но даже Солнце не стоит на одном месте. Наша галактика Млечный Путь - огромная, массивная и тоже подвижная! Все звезды, планеты, газовые облака, частицы пыли, черные дыры, темная материя - все это движется относительно общего центра масс.
По предположениям ученых, Солнце находится на расстоянии 25 000 световых лет от центра нашей галактики и двигается по эллиптической орбите, совершая полный оборот каждые 220–250 млн лет. Получается, что скорость Солнца - около 200–220 км/с, что в сотни раз выше скорости движения Земли вокруг оси и в десятки раз выше скорости ее движения вокруг Солнца. Вот так выглядит движение нашей Солнечной системы.
Стационарна ли галактика? Снова нет. Гигантские космические объекты обладают большой массой, а следовательно, создают сильные гравитационные поля. Дайте Вселенной немного времени (а оно у нас было - примерно 13,8 миллиардов лет), и все начнет двигаться в направлении наибольшего притяжения. Вот почему Вселенная не однородна, а представляет собой галактики и группы галактик.
Что это означает для нас?
Это означает, что Млечный Путь тянут к себе другие галактики и группы галактик, расположенные поблизости. Это означает, что доминируют в этом процессе массивные объекты. И это означает, что не только наша галактика, но и все окружающие испытывают влияние этих «тягачей». Мы все ближе подходим к пониманию того, что происходит с нами в космическом пространстве, но нам все еще не хватает фактов, например:
- каковы были начальные условия, при которых зародилась Вселенная;
- как различные массы в галактике двигаются и изменяются со временем;
- как образовывался Млечный Путь и окружающие галактики и скопления;
- и как это происходит сейчас.
Однако есть трюк, который поможет нам разобраться.
Вселенную наполняет реликтовое излучение с температурой 2,725 К, которое сохранилось со времен Большого Взрыва. Кое-где есть крошечные отклонения - около 100 мкК, но общий температурный фон постоянен.
Это происходит потому, что Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад и до сих пор расширяется и охлаждается.
Через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась до такой температуры, что стало возможным образование атомов водорода. До этого фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы: сталкивались с ними и обменивались энергией. По мере остывания Вселенной заряженных частиц стало меньше, а пространства между ними - больше. Фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве. Реликтовое излучение - это фотоны, которые были излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, но избежали рассеяния, так как рекомбинация уже началась. Они достигают Землю сквозь пространство Вселенной, которая продолжает расширяться.
Вы сами можете «увидеть» это излучение. Помехи, которые возникают на пустом канале телевизора, если вы используете простую антенну, похожую на заячьи уши, на 1% вызваны реликтовым излучением.
И все-таки температура реликтового фона не одинакова во всех направлениях. По результатам исследований миссии Planck, температура несколько различается в противоположных полушариях небесной сферы: она немного выше на участках неба южнее эклиптики - около 2,728 K, и ниже в другой половине - около 2,722 K.
Карта микроволнового фона, сделанная при помощи телескопа Planck.
Эта разница почти в 100 раз больше остальных наблюдаемых колебаний температуры реликтового фона, и это вводит в заблуждение. Почему так происходит? Ответ очевиден - эта разница происходит не из-за флуктуаций реликтового излучения, она появляется, потому что есть движение!
Когда вы приближаетесь к источнику света или он приближается к вам, спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда отдаляетесь от него или он от вас - спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение).
Реликтовое излучение не может быть более или менее энергичным, значит, мы движемся сквозь пространство. Эффект Доплера помогает определить, что наша Солнечная система движется относительно реликтового излучения со скоростью 368 ± 2 км/с, а местная группа галактик, включающая Млечный Путь, галактику Андромеды и галактику Треугольника, движется со скоростью 627 ± 22 км/с относительно реликтового излучения. Это так называемые пекулярные скорости галактик, которые составляют несколько сотен км/с. Помимо них существуют еще космологические скорости, обусловленные расширением Вселенной и рассчитываемые по закону Хаббла.
Благодаря остаточному излучению от Большого Взрыва мы можем наблюдать, что во Вселенной постоянно все движется и изменяется. И наша галактика - лишь часть этого процесса.