Нам кажется, что Солнце светит всегда одинаково. Но это не так. Излучение энергии нашим светилом подвержено сложным колебаниям: учёные выделяют 11-летние, 22-летние, 70-100-летние, 150-200-летние, а также, предположительно, 2300-летние циклы последовательного уменьшения и увеличения солнечной активности.
Сейчас, кстати, мы находимся в начале (точке минимума) очередного 11-летнего цикла солнечной активности.
Кроме того, вне зависимости от циклов, Солнце постепенно разогревается, увеличивая свою температуру и светимость. Рано или поздно оно разогреется настолько, что средняя температура на Земле достигнет 47 градусов, океаны испарятся, а сложная жизнь, какой мы её знаем, станет невозможна. Правда, случится это нескоро: по расчётам, Солнце увеличивает свою яркость примерно на 1 % каждый миллион лет.
Сейчас, кстати, мы находимся в начале (точке минимума) очередного 11-летнего цикла солнечной активности.
Кроме того, вне зависимости от циклов, Солнце постепенно разогревается, увеличивая свою температуру и светимость. Рано или поздно оно разогреется настолько, что средняя температура на Земле достигнет 47 градусов, океаны испарятся, а сложная жизнь, какой мы её знаем, станет невозможна. Правда, случится это нескоро: по расчётам, Солнце увеличивает свою яркость примерно на 1 % каждый миллион лет.
Это фотография галактики UGCA 193, сделанная космическим телескопом Хаббл. UGCA 193 - спиральная галактика, но мы видим её с ребра. Обратите внимание на огромное количество ярких голубых звёзд, придающих голубой оттенок всей галактике в целом: это значит, что здесь идут очень активные процессы звездообразования.
Одно из самых важных и в то же время самых парадоксальных физических особенностей звёзд является то, что астрофизики называют отрицательной теплоёмкостью.
Теплоёмкость в термодинамике – это коэффициент пропорциональности между сообщённой телу тепловой энергией и изменением его температуры. У воздуха, к примеру, низкая теплоёмкость, и его можно легко нагреть даже дыханием. У воды теплоёмкость высокая, и для того, чтобы закипятить чайник, нужно сжечь немало топлива.
Но у звёзд всё происходит наоборот: если мы будем «нагревать» звезду, увеличивая её внутреннюю энергию, то температура звезды… уменьшится.
Это всё равно как если вы поставили на плиту чайник, а вода в нём, вместо того, чтобы закипеть, замёрзла!
В реальности конечно звёзды извне никто не нагревает: речь идёт об увеличении или уменьшении процессов в звезде в результате внутренних причин. И тем не менее, факт остаётся фактом.
Вот как это работает.
Равновесие звёзд обусловлено тем, что гравитационные силы, стремящиеся сжать звезду, компенсируются внутренним давлением (как обычным термодинамическим, вызванным движением частиц ионизированного газа, из которого состоит звезда, так и лучевым, обусловленным воздействием электромагнитного излучения с веществом). Для стационарной звезды эти силы равны, и звезда сохраняет одинаковую температуру и объём на протяжении миллионов лет.
Представим теперь, что вследствие каких-то причин внутренняя энергия звезды увеличилась (скажем, из-за скачка энергоотдачи термоядерных реакций, текущих в её недрах). Давление пропорционально внутренней энергии, а значит, оно увеличится и начнёт превышать гравитационное сжатие. Равновесие звезды нарушится и она начнёт расширяться.
Давление обратно пропорционально объёму, и поэтому по мере расширения звезды уменьшается. В определённый момент звезда расширится настолько, что давление и гравитация снова уравновесят друг друга. Установится новое состояние равновесия звезды с большим объёмом.
Но при расширении все газы охлаждаются! И ионизированный газ, из которого сделаны звёзды, не исключение. В результате новое состояние звезды с большим объёмом будет характеризоваться меньшей температурой: звезда расширится и (!) охладится.
Обратное тоже верно: когда внутренняя энергия звезды уменьшается, она начинает сжиматься и нагреваться. Это происходит, например, при исчерпании запасов ядерного топлива (водорода) в звёздах главной последовательности. Так образуются белые карлики: маленькие, но очень горячие «огарки» звёзд.
С другой стороны, наше Солнце, к примеру, в ходе такого сжатия достигнет температуры, при которой сможет запустить реакцию синтеза из следующего элемента таблицы Менделеева – гелия. Эта реакция даёт куда больший энергетический выход, и поэтому внутренняя энергия Солнца увеличится даже до большего значения, чем была на «водородной» стадии. А из-за механизма отрицательной теплоёмкости Солнце при этом расширится (почти до орбиты Земли) и существенно охладится, став из жёлтой звезды красной.
На иллюстрации изображена самая, пожалуй, известная система двойных звёзд: Сириус. Главный компонент – Сириус А, белая звезда с массой более двух солнечных. Второй компонент – белый карлик Сириус Б, «при жизни» бывший весьма похожим на наше Солнце, но сейчас сжавшийся и разогревшийся настолько, что стал даже горячее своего «большого брата», и потому светит более голубым светом – правда, очень слабо. К парадоксальному факту, что уже потухшая звезда оказывается горячее ещё горящей приводит именно эффект отрицательной теплоёмкости.
В завершение добавим, что отрицательная теплоёмкость характерна для многих систем, равновесие которых обеспечивается гравитационными силами, включая нашу Солнечную систему, звёздные скопления и даже целые галактики.
Теплоёмкость в термодинамике – это коэффициент пропорциональности между сообщённой телу тепловой энергией и изменением его температуры. У воздуха, к примеру, низкая теплоёмкость, и его можно легко нагреть даже дыханием. У воды теплоёмкость высокая, и для того, чтобы закипятить чайник, нужно сжечь немало топлива.
Но у звёзд всё происходит наоборот: если мы будем «нагревать» звезду, увеличивая её внутреннюю энергию, то температура звезды… уменьшится.
Это всё равно как если вы поставили на плиту чайник, а вода в нём, вместо того, чтобы закипеть, замёрзла!
В реальности конечно звёзды извне никто не нагревает: речь идёт об увеличении или уменьшении процессов в звезде в результате внутренних причин. И тем не менее, факт остаётся фактом.
Вот как это работает.
Равновесие звёзд обусловлено тем, что гравитационные силы, стремящиеся сжать звезду, компенсируются внутренним давлением (как обычным термодинамическим, вызванным движением частиц ионизированного газа, из которого состоит звезда, так и лучевым, обусловленным воздействием электромагнитного излучения с веществом). Для стационарной звезды эти силы равны, и звезда сохраняет одинаковую температуру и объём на протяжении миллионов лет.
Представим теперь, что вследствие каких-то причин внутренняя энергия звезды увеличилась (скажем, из-за скачка энергоотдачи термоядерных реакций, текущих в её недрах). Давление пропорционально внутренней энергии, а значит, оно увеличится и начнёт превышать гравитационное сжатие. Равновесие звезды нарушится и она начнёт расширяться.
Давление обратно пропорционально объёму, и поэтому по мере расширения звезды уменьшается. В определённый момент звезда расширится настолько, что давление и гравитация снова уравновесят друг друга. Установится новое состояние равновесия звезды с большим объёмом.
Но при расширении все газы охлаждаются! И ионизированный газ, из которого сделаны звёзды, не исключение. В результате новое состояние звезды с большим объёмом будет характеризоваться меньшей температурой: звезда расширится и (!) охладится.
Обратное тоже верно: когда внутренняя энергия звезды уменьшается, она начинает сжиматься и нагреваться. Это происходит, например, при исчерпании запасов ядерного топлива (водорода) в звёздах главной последовательности. Так образуются белые карлики: маленькие, но очень горячие «огарки» звёзд.
С другой стороны, наше Солнце, к примеру, в ходе такого сжатия достигнет температуры, при которой сможет запустить реакцию синтеза из следующего элемента таблицы Менделеева – гелия. Эта реакция даёт куда больший энергетический выход, и поэтому внутренняя энергия Солнца увеличится даже до большего значения, чем была на «водородной» стадии. А из-за механизма отрицательной теплоёмкости Солнце при этом расширится (почти до орбиты Земли) и существенно охладится, став из жёлтой звезды красной.
На иллюстрации изображена самая, пожалуй, известная система двойных звёзд: Сириус. Главный компонент – Сириус А, белая звезда с массой более двух солнечных. Второй компонент – белый карлик Сириус Б, «при жизни» бывший весьма похожим на наше Солнце, но сейчас сжавшийся и разогревшийся настолько, что стал даже горячее своего «большого брата», и потому светит более голубым светом – правда, очень слабо. К парадоксальному факту, что уже потухшая звезда оказывается горячее ещё горящей приводит именно эффект отрицательной теплоёмкости.
В завершение добавим, что отрицательная теплоёмкость характерна для многих систем, равновесие которых обеспечивается гравитационными силами, включая нашу Солнечную систему, звёздные скопления и даже целые галактики.
👍1🔥1
Разоблачение: белые карлики - вовсе не белые!
Термин "белый карлик" широко используется в научной и научно-популярной литературе: им обозначают остаток догоревшей звезды, истратившей своё ядерное топливо и скукожившейся под действием собственной силы гравитации в очень маленький и плотный сгусток вещества. Этот сгусток светится благодаря остаточному нагреву, постепенно остывая, так как не имеет собственных источников энергии.
Однако понимать термин "белый карлик" буквально не следует: на самом деле фактический цвет белых карликов варьируется в широких пределах, от оранжевого до голубого.
Цвет звезды определяется её температурой: чем звезда горячее, тем больше в её спектре голубого света, чем холоднее - тем она краснее.
В ходе гравитационного сжатия изначальной звезды, получившийся из неё белый карлик нагревается до внушительных температур (при сжатии любой газ нагревается), заметно превышающих температру исходной звезды. Классический пример - невидимый компонент Сириуса (самой яркой звезды ночного неба), белый карлик Сириус Б, температура которого составляет порядка 10 тысяч градусов, и светит он ярко-голубым светом.
Однако со временем Сириус Б будет медленно остывать (за счёт излучения) и "краснеть", сначала став действительно белым (вроде белого карлика WD 0806-661), затем - жёлтым, оранжевым и так далее.
Самым молодым известным на сегодняшний день белым карликом является RX J0439.8-6809, температура поверхности которого достигает 250 тысяч градусов. Его даже голубой звездой называть неверно: значительная часть его излучения лежит в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне. Вероятно, сжатие RX J0439.8-6809 завершилось около 1000 лет назад: тогда он, по видимому, был нагрет до 450 тысяч градусов, т.е. с тех пор остыл более чем вдвое.
Самым же старым известным белым карликом является красный WD 0346 + 246, который остывает уже около 10 миллирадов лет и в настоящий момент имеет температуру поверхности около 3900 градусов
А рано или поздно белым карликам суждено остыть окончательно: они остынут настолько, что их излучение сместится в инфракрасную область спектра. Они превратятся в чёрные карлики. Правда, таких объектов мы пока не видели: расчёты показывают, что это займёт миллионы миллиардов (10 в 15 степени) лет, тогда как возраст Вселенной в настоящее время оценивается примерно в 14 миллиардов лет.
На фото - группа старых белых карликов, включая и WD 0346 + 246.
Термин "белый карлик" широко используется в научной и научно-популярной литературе: им обозначают остаток догоревшей звезды, истратившей своё ядерное топливо и скукожившейся под действием собственной силы гравитации в очень маленький и плотный сгусток вещества. Этот сгусток светится благодаря остаточному нагреву, постепенно остывая, так как не имеет собственных источников энергии.
Однако понимать термин "белый карлик" буквально не следует: на самом деле фактический цвет белых карликов варьируется в широких пределах, от оранжевого до голубого.
Цвет звезды определяется её температурой: чем звезда горячее, тем больше в её спектре голубого света, чем холоднее - тем она краснее.
В ходе гравитационного сжатия изначальной звезды, получившийся из неё белый карлик нагревается до внушительных температур (при сжатии любой газ нагревается), заметно превышающих температру исходной звезды. Классический пример - невидимый компонент Сириуса (самой яркой звезды ночного неба), белый карлик Сириус Б, температура которого составляет порядка 10 тысяч градусов, и светит он ярко-голубым светом.
Однако со временем Сириус Б будет медленно остывать (за счёт излучения) и "краснеть", сначала став действительно белым (вроде белого карлика WD 0806-661), затем - жёлтым, оранжевым и так далее.
Самым молодым известным на сегодняшний день белым карликом является RX J0439.8-6809, температура поверхности которого достигает 250 тысяч градусов. Его даже голубой звездой называть неверно: значительная часть его излучения лежит в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне. Вероятно, сжатие RX J0439.8-6809 завершилось около 1000 лет назад: тогда он, по видимому, был нагрет до 450 тысяч градусов, т.е. с тех пор остыл более чем вдвое.
Самым же старым известным белым карликом является красный WD 0346 + 246, который остывает уже около 10 миллирадов лет и в настоящий момент имеет температуру поверхности около 3900 градусов
А рано или поздно белым карликам суждено остыть окончательно: они остынут настолько, что их излучение сместится в инфракрасную область спектра. Они превратятся в чёрные карлики. Правда, таких объектов мы пока не видели: расчёты показывают, что это займёт миллионы миллиардов (10 в 15 степени) лет, тогда как возраст Вселенной в настоящее время оценивается примерно в 14 миллиардов лет.
На фото - группа старых белых карликов, включая и WD 0346 + 246.
Оптическое явление под названием «Глория» - редкий феномен, который иногда наблюдается в облаках. Глория выглядит как яркий радужный круг с бесцветным светлым пятом в центре. Наблюдается он тогда, когда источник света (Солнце) находится чётко позади и лучше немного сверху наблюдающего, и поэтому часто часть глории закрыта тенью. Так что наблюдать глорию лучше всего в горах, а ещё лучше – с самолёта или вертолёта.
Глория имеет много общего с обычной радугой. Как и она, глория формируется в отражённом капельками воды свете. Но в то же время глория – это определённо не обычная радуга: если та представляет собой дугу с угловым размером в 42 градуса, то глория обладает куда меньшими угловыми размерами относительно наблюдателя (порядка 5-20 градусов), и поэтому наблюдается как полное кольцо.
Но почему в одних случаях при освещении облаков расположенным за спиной наблюдателя солнцем возникает радуга, а в других – глория? Ответить на этот вопрос не так уж и просто. Так, классическая геометрическая оптика вообще не даёт ответа на этот вопрос: по её законам, никакой глории существовать не должно.
В научно-популярных статьях на тему (и даже в Википедии!) можно встретить объяснение, что глория, мол, образуется не в результате преломления, а в результате дифракции света на капельках воды. Однако в настоящее время эта теория опровергнута: показано, что условия для возникновения такой дифракции в облаке возникать не могут.
Популярным объяснением механизма возникновения глории является теория «проскальзывания» светового луча по поверхности капли. Мы не будем детально рассматривать эту довольно мудрёную теорию по одной простой причине: условия, необходимые для формирования глории по такому механизму, представляются довольно экзотическими. Так, для них необходимо, чтобы все капли в облаке были строго почти одного размера (ок. 10 микрон), что маловероятно.
Лично мне показалось интересным объяснение глории, предложенное А. Н. Невзоровым в статье «Явление глории и природа жидкокапельной фракции в холодных атмосферных облаках» (журнал «Оптика атмосферы и океана», № 8, 2007 год).
Идея Невзорова состоит в следующем. Если бы облака состояли не из воды с коэффициентом преломления 1,33, а из некоей другой жидкости с коэффициентом преломления около 1,8, то отражение и преломление света в каплях такой жидкости по «радужному» типу давало бы именно такую картину, которую мы наблюдаем при глории. Но ведь никакой загадочной жидкости в облаках нет, они состоят либо из воды, либо из льда, либо из смеси того и другого.
И вот здесь мы подходим к самому интересному. Дело в том, что даже в холодных (существенно ниже нуля) облаках, как выясняется, всё равно есть так называемая переохлаждённая вода. И свойства такой переохлаждённой воды оказываются достаточно необычными: например (по Невзорову) её плотность вдвое больше обычной воды (2,1 г/см3), а коэффициент преломления составляет… как раз-таки около 1,8!
Соответственно, теория Невзорова заключается в том, что глория – это по сути обычная радуга, но формирующаяся на необычных каплях тяжёлой переохлаждённой воды (которую он называет ещё А-водой). Добавлю, что совсем недавно (в сентябре 2020 года) работу об экзотических свойствах переохлаждённой воды опубликовали в журнале Science учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США (PNNL). Так что теория Невзорова представляется интересной. И, возможно, скоро мы сможем строго разгадать загадку этого красивого явления.
Глория имеет много общего с обычной радугой. Как и она, глория формируется в отражённом капельками воды свете. Но в то же время глория – это определённо не обычная радуга: если та представляет собой дугу с угловым размером в 42 градуса, то глория обладает куда меньшими угловыми размерами относительно наблюдателя (порядка 5-20 градусов), и поэтому наблюдается как полное кольцо.
Но почему в одних случаях при освещении облаков расположенным за спиной наблюдателя солнцем возникает радуга, а в других – глория? Ответить на этот вопрос не так уж и просто. Так, классическая геометрическая оптика вообще не даёт ответа на этот вопрос: по её законам, никакой глории существовать не должно.
В научно-популярных статьях на тему (и даже в Википедии!) можно встретить объяснение, что глория, мол, образуется не в результате преломления, а в результате дифракции света на капельках воды. Однако в настоящее время эта теория опровергнута: показано, что условия для возникновения такой дифракции в облаке возникать не могут.
Популярным объяснением механизма возникновения глории является теория «проскальзывания» светового луча по поверхности капли. Мы не будем детально рассматривать эту довольно мудрёную теорию по одной простой причине: условия, необходимые для формирования глории по такому механизму, представляются довольно экзотическими. Так, для них необходимо, чтобы все капли в облаке были строго почти одного размера (ок. 10 микрон), что маловероятно.
Лично мне показалось интересным объяснение глории, предложенное А. Н. Невзоровым в статье «Явление глории и природа жидкокапельной фракции в холодных атмосферных облаках» (журнал «Оптика атмосферы и океана», № 8, 2007 год).
Идея Невзорова состоит в следующем. Если бы облака состояли не из воды с коэффициентом преломления 1,33, а из некоей другой жидкости с коэффициентом преломления около 1,8, то отражение и преломление света в каплях такой жидкости по «радужному» типу давало бы именно такую картину, которую мы наблюдаем при глории. Но ведь никакой загадочной жидкости в облаках нет, они состоят либо из воды, либо из льда, либо из смеси того и другого.
И вот здесь мы подходим к самому интересному. Дело в том, что даже в холодных (существенно ниже нуля) облаках, как выясняется, всё равно есть так называемая переохлаждённая вода. И свойства такой переохлаждённой воды оказываются достаточно необычными: например (по Невзорову) её плотность вдвое больше обычной воды (2,1 г/см3), а коэффициент преломления составляет… как раз-таки около 1,8!
Соответственно, теория Невзорова заключается в том, что глория – это по сути обычная радуга, но формирующаяся на необычных каплях тяжёлой переохлаждённой воды (которую он называет ещё А-водой). Добавлю, что совсем недавно (в сентябре 2020 года) работу об экзотических свойствах переохлаждённой воды опубликовали в журнале Science учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США (PNNL). Так что теория Невзорова представляется интересной. И, возможно, скоро мы сможем строго разгадать загадку этого красивого явления.
👍1
Почему не бывает зелёных звёзд?
Когда мы с вами говорили о цветах, а точнее, о спектральных типах звёзд, мы говорили о красных, оранжевых, жёлтых, белых и голубых звёздах. И объясняли, почему: по мере роста размеров звёзд, растёт и их температура. А спектр излучения звёзд - это в точности спектр излучения нагретого до определённой температуры тела. Максимум такого спектра по мере излучения температуры тела "движется" в сторону коротковолновой области: из красного свет становится оранжевым, потом жёлтым, потом голубым и так далее.
Но где же зелёный? Ведь даже в обычной радуге между жёлтым и синим следует зелёная область!
И действительно, мы знаем, что максимум спектра тела, нагретого до примерно 5500 градусов, должен располагаться именно в области 500 нанометров - а это как раз зелёный цвет. То есть, даже наше Солнце должно быть уже изрядно зеленоватым. Но этого не происходит!
Причина в том, что речь идёт о точке максимума спектра света. Тогда как то, каким мы видим этот свет, определяется суммарным воздействием всего спектра на наши глаза. И специфика спектра при 5500 градусов в том, что в нём красные, синие и зелёные компоненты видимой части спектра представлены примерно одинаково. И свет звёзд с зелёным максимумом в спектре видится нам просто белым (бело-жёлтым).
Зеленоватая "звезда" на картинке - никакая не звезда, а вполне себе комета.
Когда мы с вами говорили о цветах, а точнее, о спектральных типах звёзд, мы говорили о красных, оранжевых, жёлтых, белых и голубых звёздах. И объясняли, почему: по мере роста размеров звёзд, растёт и их температура. А спектр излучения звёзд - это в точности спектр излучения нагретого до определённой температуры тела. Максимум такого спектра по мере излучения температуры тела "движется" в сторону коротковолновой области: из красного свет становится оранжевым, потом жёлтым, потом голубым и так далее.
Но где же зелёный? Ведь даже в обычной радуге между жёлтым и синим следует зелёная область!
И действительно, мы знаем, что максимум спектра тела, нагретого до примерно 5500 градусов, должен располагаться именно в области 500 нанометров - а это как раз зелёный цвет. То есть, даже наше Солнце должно быть уже изрядно зеленоватым. Но этого не происходит!
Причина в том, что речь идёт о точке максимума спектра света. Тогда как то, каким мы видим этот свет, определяется суммарным воздействием всего спектра на наши глаза. И специфика спектра при 5500 градусов в том, что в нём красные, синие и зелёные компоненты видимой части спектра представлены примерно одинаково. И свет звёзд с зелёным максимумом в спектре видится нам просто белым (бело-жёлтым).
Зеленоватая "звезда" на картинке - никакая не звезда, а вполне себе комета.
На картинке изображён так называемый двигатель Стирлинга - один из видов так называемых двигателей внешнего сгорания. Как следует из названия, в таких двигателях тепловая энергия высвобождается не внутри, а вне рабочего объёма двигателя, и подводится к рабочему телу (газу внутри цилиндра) через стенки этого цилиндра.
Зона нагрева на рисунке изображена красным. Нагреваясь, газ расширяется, поднимая вверх рабочий поршень, герметично прилегающий к стенкам цилиндра. Поднимаясь, то проворачивает вал, совершая полезную работу, а также опуская вниз второй, управляющий поршень.
Управляющий поршень прилегает к стенкам цилиндра негерметично: опускаясь, он вытесняет газ из нижней горячей области в холодную (охлаждаемую с помощью радиатора или другого механизма, обозначен синим). Там газ охлаждается и сжимается. Давление внутри рабочего цилиндра уменьшается, рабочий поршень опускается вниз, а управляющий - поднимается вверх, вытесняя газ из холодной области в горячую. Цикл повторяется до тех пор, пока в систему осуществляется подвод тепла.
Точнее, это одна из возможных компоновок двигателя Стирлинга (так называемый бета-стирлинг) - пожалуй, наиболее простая и незамысловатая из них.
Преимуществами двигателя Стирлинга является его простота и отсутствие в нём сложных механизмов типа стартёров, газораспределительных механизмов, клапанов и т.п. Благодаря этому стирлинги отличаются высокой надёжностью и долговечностью: их имеет смысл устанавливать там, где постоянное обслуживание двигателя и замена его частей будет затруднительна. Кроме того, в стирлингах нет выхлопа из цилиндров, для него также характерен более низкий уровень шума и вибрации (из-за отсутствия взрывных процессов, как, к примеру, в двигателях внутреннего сгорания). Наконец, стирлинг может питаться от абсолютно любого источника тепла, будь то сфокусированный солнечный свет, энергия сгорания топлива или тепло ядерного реактора. Благодаря этому стирлинги могут, например, эффективно "утилизировать" тепло, выделяющееся как побочный продукт различных процессов.
Недостатками стирлингов являются проблематичность изменения мощности, несколько более низкий КПД, а также большая масса по сравнению с двигателями внутреннего сгорания аналогичной производительности.
Поэтому двигатели Стирлинга мало подходят, например, для транспортных средств, но прекрасно годятся, например, в качестве источников энергии. Например, стирлинги с нагревом от изотопных тепловыделяющих элементов (работающих за счёт естественного распада радиоактивных элементов типа плутония), вероятно, станут надёжным источником энергии для человеческих поселений в космосе и на других планетах.
Зона нагрева на рисунке изображена красным. Нагреваясь, газ расширяется, поднимая вверх рабочий поршень, герметично прилегающий к стенкам цилиндра. Поднимаясь, то проворачивает вал, совершая полезную работу, а также опуская вниз второй, управляющий поршень.
Управляющий поршень прилегает к стенкам цилиндра негерметично: опускаясь, он вытесняет газ из нижней горячей области в холодную (охлаждаемую с помощью радиатора или другого механизма, обозначен синим). Там газ охлаждается и сжимается. Давление внутри рабочего цилиндра уменьшается, рабочий поршень опускается вниз, а управляющий - поднимается вверх, вытесняя газ из холодной области в горячую. Цикл повторяется до тех пор, пока в систему осуществляется подвод тепла.
Точнее, это одна из возможных компоновок двигателя Стирлинга (так называемый бета-стирлинг) - пожалуй, наиболее простая и незамысловатая из них.
Преимуществами двигателя Стирлинга является его простота и отсутствие в нём сложных механизмов типа стартёров, газораспределительных механизмов, клапанов и т.п. Благодаря этому стирлинги отличаются высокой надёжностью и долговечностью: их имеет смысл устанавливать там, где постоянное обслуживание двигателя и замена его частей будет затруднительна. Кроме того, в стирлингах нет выхлопа из цилиндров, для него также характерен более низкий уровень шума и вибрации (из-за отсутствия взрывных процессов, как, к примеру, в двигателях внутреннего сгорания). Наконец, стирлинг может питаться от абсолютно любого источника тепла, будь то сфокусированный солнечный свет, энергия сгорания топлива или тепло ядерного реактора. Благодаря этому стирлинги могут, например, эффективно "утилизировать" тепло, выделяющееся как побочный продукт различных процессов.
Недостатками стирлингов являются проблематичность изменения мощности, несколько более низкий КПД, а также большая масса по сравнению с двигателями внутреннего сгорания аналогичной производительности.
Поэтому двигатели Стирлинга мало подходят, например, для транспортных средств, но прекрасно годятся, например, в качестве источников энергии. Например, стирлинги с нагревом от изотопных тепловыделяющих элементов (работающих за счёт естественного распада радиоактивных элементов типа плутония), вероятно, станут надёжным источником энергии для человеческих поселений в космосе и на других планетах.
Друзья! Раз нас с вами теперь уже почти 4 тысячи, думаю, уместно будет наладить некий интерактив)
Про какие физические явления, эффекты и феномены, непонятные вам (типа, почему трещит при разматывании скотч или зачем вертолёту второй винт) вам было бы интересно почитать на нашем канале?
Пишите в группу обсуждений канала с упоминанием автора (@YuriTkachev) или на почту tkachev@timer.od.ua
Про какие физические явления, эффекты и феномены, непонятные вам (типа, почему трещит при разматывании скотч или зачем вертолёту второй винт) вам было бы интересно почитать на нашем канале?
Пишите в группу обсуждений канала с упоминанием автора (@YuriTkachev) или на почту tkachev@timer.od.ua
Невозможная звезда: что такое магнетары и почему они восхищают учёных
В мае 2020 года учёные по всему миру зафиксировали так называемый короткий гамма-всплеск (GRB 200522A): необычайно мощный выброс энергии, не имеющий аналогов в нашей Вселенной. Менее чем за 2 секунды в результате некоего процесса выделилась энергия, которую Солнце выделяет за миллиард лет!
«Взглянув» в том направлении, астрономы увидели нечто, довольно ярко светящееся в определённом диапазоне частот, и это зрелище привело их в восторг. Чтобы объяснить, что именно их восхитило, нам следует для начала сказать вот о чём.
Звёзды нашей Вселенной в конце жизни обычно превращаются в один из трёх объектов: белый карлик (большинство звёзд), нейтронную звезду (более массивные звёзды) или чёрную дыру (ещё более массивные звёзды). При этом белый карлик не может быть тяжелее 1,44 массы Солнца (т.н. предел Чандрасекара); более массивные объекты коллапсируют в нейтронную звезду. Нейтронная звезда, в свою очередь, не должна быть тяжелее 2,16 массы Солнца – иначе она под действием собственной гравитации сожмётся в чёрную дыру (т.н. предел Оппенгеймера-Волкова).
Здесь стоит оговориться, что речь идёт о массе звёздного остатка, а не породившей его звезды, которая могла быть существенно тяжелее.
Теперь вернёмся к нашему короткому гамма-всплеску. На сегодняшний день мы точно знаем, что такие всплески порождаются в ходе столкновения двух нейтронных звёзд. При этом понятно, что каждый из сталкивающихся объектов должен превосходить предел Чандрасекара (иначе они не были бы нейтронными звёздами). Значит, что итоговый объект должен иметь массу как минимум 2,8 масс Солнца. Это выше предела Оппенгеймера-Волкова, и результат столкновения обязан быть чёрной дырой.
Однако излучение объекта, обнаруженного на месте вспышки GRB 200522A, давало понять, что чёрной дырой он не является. А значит, речь может идти только о магнетаре – нейтронной звезде «невозможной» массы, которая не должна существовать, но, тем не менее, существует.
Причиной того, что магнетар не превращается в чёрную дыру, является чудовищно высокая скорость его вращения вокруг своей оси. Магнетар вращается настолько быстро, что возникающие центробежные силы оказываются достаточно сильны для того, чтобы предотвратить коллапс.
Обладая массой в несколько масс Солнца, магнетар при этом сжат в объём порядка объёма Земли. Плотность вещества в нём сравнима с плотностью вещества атомных ядер. Чудовищная скорость вращения (вероятно, тысячи оборотов в секунду) порождает магнитные поля в сотни миллиардов тесла, недостижимые ни в одной земной лаборатории. А иногда магнетары сотрясают чудовищные «звездотрясения» - аналоги вспышек на нашем Солнце и других звёздах, но на порядки более мощные. Если вспышки на Солнце способны помешать радиосвязи, а вспышки на красных карликах – убить всю жизнь, которая может зародиться на их планетах, то вспышка магнетара, в ходе которой за секунды выделяется энергия, которую Солнце излучает сотни лет, способна стерилизовать целые звёздные скопления!
Магнетары – звёзды, которым удалось обмануть свою судьбу, но никто не может делать это долго. Рано или поздно вращение магнетара замедлится, и центробежные силы уже не смогут удерживать его от коллапса в чёрную дыру. По различным оценкам, это произойдёт примерно за миллион лет – по звёздным меркам, сущее мгновение!
Редкость рождения магнетаров и краткость их жизни делают их весьма редкими обитателями нашей Вселенной – в настоящее время нам известно лишь о 13 магнетарах, причём принадлежность части из них именно к этому типу пост-звёзд оспаривается. Так возможность наблюдать рождение и первые мгновения жизни магнетара, что называется, в прямом эфире бесценна.
В мае 2020 года учёные по всему миру зафиксировали так называемый короткий гамма-всплеск (GRB 200522A): необычайно мощный выброс энергии, не имеющий аналогов в нашей Вселенной. Менее чем за 2 секунды в результате некоего процесса выделилась энергия, которую Солнце выделяет за миллиард лет!
«Взглянув» в том направлении, астрономы увидели нечто, довольно ярко светящееся в определённом диапазоне частот, и это зрелище привело их в восторг. Чтобы объяснить, что именно их восхитило, нам следует для начала сказать вот о чём.
Звёзды нашей Вселенной в конце жизни обычно превращаются в один из трёх объектов: белый карлик (большинство звёзд), нейтронную звезду (более массивные звёзды) или чёрную дыру (ещё более массивные звёзды). При этом белый карлик не может быть тяжелее 1,44 массы Солнца (т.н. предел Чандрасекара); более массивные объекты коллапсируют в нейтронную звезду. Нейтронная звезда, в свою очередь, не должна быть тяжелее 2,16 массы Солнца – иначе она под действием собственной гравитации сожмётся в чёрную дыру (т.н. предел Оппенгеймера-Волкова).
Здесь стоит оговориться, что речь идёт о массе звёздного остатка, а не породившей его звезды, которая могла быть существенно тяжелее.
Теперь вернёмся к нашему короткому гамма-всплеску. На сегодняшний день мы точно знаем, что такие всплески порождаются в ходе столкновения двух нейтронных звёзд. При этом понятно, что каждый из сталкивающихся объектов должен превосходить предел Чандрасекара (иначе они не были бы нейтронными звёздами). Значит, что итоговый объект должен иметь массу как минимум 2,8 масс Солнца. Это выше предела Оппенгеймера-Волкова, и результат столкновения обязан быть чёрной дырой.
Однако излучение объекта, обнаруженного на месте вспышки GRB 200522A, давало понять, что чёрной дырой он не является. А значит, речь может идти только о магнетаре – нейтронной звезде «невозможной» массы, которая не должна существовать, но, тем не менее, существует.
Причиной того, что магнетар не превращается в чёрную дыру, является чудовищно высокая скорость его вращения вокруг своей оси. Магнетар вращается настолько быстро, что возникающие центробежные силы оказываются достаточно сильны для того, чтобы предотвратить коллапс.
Обладая массой в несколько масс Солнца, магнетар при этом сжат в объём порядка объёма Земли. Плотность вещества в нём сравнима с плотностью вещества атомных ядер. Чудовищная скорость вращения (вероятно, тысячи оборотов в секунду) порождает магнитные поля в сотни миллиардов тесла, недостижимые ни в одной земной лаборатории. А иногда магнетары сотрясают чудовищные «звездотрясения» - аналоги вспышек на нашем Солнце и других звёздах, но на порядки более мощные. Если вспышки на Солнце способны помешать радиосвязи, а вспышки на красных карликах – убить всю жизнь, которая может зародиться на их планетах, то вспышка магнетара, в ходе которой за секунды выделяется энергия, которую Солнце излучает сотни лет, способна стерилизовать целые звёздные скопления!
Магнетары – звёзды, которым удалось обмануть свою судьбу, но никто не может делать это долго. Рано или поздно вращение магнетара замедлится, и центробежные силы уже не смогут удерживать его от коллапса в чёрную дыру. По различным оценкам, это произойдёт примерно за миллион лет – по звёздным меркам, сущее мгновение!
Редкость рождения магнетаров и краткость их жизни делают их весьма редкими обитателями нашей Вселенной – в настоящее время нам известно лишь о 13 магнетарах, причём принадлежность части из них именно к этому типу пост-звёзд оспаривается. Так возможность наблюдать рождение и первые мгновения жизни магнетара, что называется, в прямом эфире бесценна.
👍2
Путеводитель по Солнечной системе: 10 интересных фактов о Меркурии
1. Меркурий является самой маленькой планетой Солнечной системы. Радиус Меркурия - 2400 километров: он втрое меньше Земли и всего-то в 1,4 раза больше Луны. При этом масса Меркурия достаточно велика: он в 4,5 раза тяжелее нашего спутника. Это объясняется сравнительно высокой плотностью Меркурия, большую часть (80 % объёма) которого составляет массивное металлическое ядро.
2. Любой предмет на Меркурии будет весить в 2,6 раза меньше, чем на Земле (ускорение свободного падения там составляет 3,7 м/с2).
3.Меркурий очень быстро вращается вокруг Солнца (скорость движения по орбите колеблется от 37 до 57 км/с), но очень медленно крутится вокруг своей оси. В результате год на Меркурии длится 88 земных дней, а сутки – 59 земных суток. Столь необычное соотношение объясняется действием солнечной гравитации, тормозящей его вращение.
4. На Меркурии звёздные сутки (т.е. время полного оборота вокруг своей оси) сильно неравны солнечным (т.е. промежутком времени между моментами, когда Солнце находится в одном положении на небе). На Земле разница между двумя «видами суток» составляет 4 минуты, и ей можно пренебречь. На Меркурии же солнечные сутки длятся 132 земных дня, 2,2 меркурианских звёздных суток или ровно полтора (!) меркурианских года.
5. Вследствие вышеизложенного, в момент максимального сближения с Солнцем Меркурий всегда подставляет светилу либо один и тот же участок своей поверхности, либо другой, расположенный точно с противоположной её стороны – получается так называемая «горячая долгота». Участки «горячей долготы», расположенные близ экватора Меркурия, являются самыми жаркими местечками на планете. Одно из них примечательно тем, что здесь находится след от столкновения Меркурия с крупным астероидом. Это место известно как котловина Калорис.
6. Ещё одно следствие особенностей орбитального движения Меркурия – весьма необычная картина заката на этой планете. В определённой точке орбиты Меркурия скорость его движения вокруг Солнца на некоторое время оказывается большей, чем скорость его вращения вокруг своей оси. В этот момент изумлённый наблюдатель на поверхности Меркурия может заметить, что начавшее клониться к закату Солнце внезапно… разворачивается и начинает подниматься, а затем снова возвращается к прежнему направлению. На долготах, близких к 90 и 270 градусов, может наблюдаться и вовсе интересное явление: Солнца сначала заходит за горизонт, затем снова встаёт в том же месте где село, а потом опять заходит обратно.
7. За «день» поверхность обращённой к Солнцу стороны Меркурия нагревается до 350 градусов Цельсия – это выше температуры плавления свинца. На Плато зноя температура бывает и того выше – до 427 градусов Цельсия, что выше температуры плавления цинка. Зато ночная сторона успевает остыть до -190 градусов (ниже температуры кипения кислорода при нормальном давлении). Кстати, у полюсов существуют области, где Солнце никогда не поднимается над горизонтом выше 0,01 градуса. Здесь царят вечная ночь и космический холод, и даже могут существовать массивные ледники.
8. Атмосферы у Меркурия практически нет: всю её сдуло солнечным ветром. Правда, в отместку Меркурий «ворует» с помощью своего гравитационного поля часть вещества, извергаемого из недр Солнца. Полученная газовая оболочка примерно в 5 триллионов раз более разрежена, чем на Земле (по земным мерам – глубокий вакуум). Состоит эта атмосфера из тех же веществ, что и Солнце: водород, гелий, кислород, углерод.
9. Из-за практически полного отсутствия атмосферы Меркурий часто подвергается метеоритным бомбардировкам. По этой причине его поверхность сильно испещрена кратерами и в целом напоминает поверхность Луны.
10. Меркурий является одной из наименее изученных планет Солнечной системы. Мы почти ничего не знаем о его внутреннем строении, геологии и прочем. Чего там, полное изображение всей его поверхности мы увидели лишь в 2008 году! Так что тайны первой от Солнца планеты ещё ждут своих исследователей.
1. Меркурий является самой маленькой планетой Солнечной системы. Радиус Меркурия - 2400 километров: он втрое меньше Земли и всего-то в 1,4 раза больше Луны. При этом масса Меркурия достаточно велика: он в 4,5 раза тяжелее нашего спутника. Это объясняется сравнительно высокой плотностью Меркурия, большую часть (80 % объёма) которого составляет массивное металлическое ядро.
2. Любой предмет на Меркурии будет весить в 2,6 раза меньше, чем на Земле (ускорение свободного падения там составляет 3,7 м/с2).
3.Меркурий очень быстро вращается вокруг Солнца (скорость движения по орбите колеблется от 37 до 57 км/с), но очень медленно крутится вокруг своей оси. В результате год на Меркурии длится 88 земных дней, а сутки – 59 земных суток. Столь необычное соотношение объясняется действием солнечной гравитации, тормозящей его вращение.
4. На Меркурии звёздные сутки (т.е. время полного оборота вокруг своей оси) сильно неравны солнечным (т.е. промежутком времени между моментами, когда Солнце находится в одном положении на небе). На Земле разница между двумя «видами суток» составляет 4 минуты, и ей можно пренебречь. На Меркурии же солнечные сутки длятся 132 земных дня, 2,2 меркурианских звёздных суток или ровно полтора (!) меркурианских года.
5. Вследствие вышеизложенного, в момент максимального сближения с Солнцем Меркурий всегда подставляет светилу либо один и тот же участок своей поверхности, либо другой, расположенный точно с противоположной её стороны – получается так называемая «горячая долгота». Участки «горячей долготы», расположенные близ экватора Меркурия, являются самыми жаркими местечками на планете. Одно из них примечательно тем, что здесь находится след от столкновения Меркурия с крупным астероидом. Это место известно как котловина Калорис.
6. Ещё одно следствие особенностей орбитального движения Меркурия – весьма необычная картина заката на этой планете. В определённой точке орбиты Меркурия скорость его движения вокруг Солнца на некоторое время оказывается большей, чем скорость его вращения вокруг своей оси. В этот момент изумлённый наблюдатель на поверхности Меркурия может заметить, что начавшее клониться к закату Солнце внезапно… разворачивается и начинает подниматься, а затем снова возвращается к прежнему направлению. На долготах, близких к 90 и 270 градусов, может наблюдаться и вовсе интересное явление: Солнца сначала заходит за горизонт, затем снова встаёт в том же месте где село, а потом опять заходит обратно.
7. За «день» поверхность обращённой к Солнцу стороны Меркурия нагревается до 350 градусов Цельсия – это выше температуры плавления свинца. На Плато зноя температура бывает и того выше – до 427 градусов Цельсия, что выше температуры плавления цинка. Зато ночная сторона успевает остыть до -190 градусов (ниже температуры кипения кислорода при нормальном давлении). Кстати, у полюсов существуют области, где Солнце никогда не поднимается над горизонтом выше 0,01 градуса. Здесь царят вечная ночь и космический холод, и даже могут существовать массивные ледники.
8. Атмосферы у Меркурия практически нет: всю её сдуло солнечным ветром. Правда, в отместку Меркурий «ворует» с помощью своего гравитационного поля часть вещества, извергаемого из недр Солнца. Полученная газовая оболочка примерно в 5 триллионов раз более разрежена, чем на Земле (по земным мерам – глубокий вакуум). Состоит эта атмосфера из тех же веществ, что и Солнце: водород, гелий, кислород, углерод.
9. Из-за практически полного отсутствия атмосферы Меркурий часто подвергается метеоритным бомбардировкам. По этой причине его поверхность сильно испещрена кратерами и в целом напоминает поверхность Луны.
10. Меркурий является одной из наименее изученных планет Солнечной системы. Мы почти ничего не знаем о его внутреннем строении, геологии и прочем. Чего там, полное изображение всей его поверхности мы увидели лишь в 2008 году! Так что тайны первой от Солнца планеты ещё ждут своих исследователей.
Один из основных законов квантовой физики - так называемый принцип неопределённости Гейзенберга, согласно которому невозможно точно одновременно измерить ряд характеристик частицы или системы частиц (например, координату и импульс (скорость), напряжённость электрического и магнитного поля и т.п.).
Иными словами, если мы предельно точно определим скорость (импульс) той или иной частицы, то окажется, что мы ничего не можем сказать о положении этой частицы в пространстве, и наоборот.
На физфаке по этому поводу даже существует "профессиональная" шутка: "О парах по квантовой физике можно точно сказать либо где они проходят, либо когда они проходят".
Из принципа неопределённости следует масса парадоксальных свойств квантовых систем (атомов и элементарных частиц), например, неприменимость к ним понятий вроде траектории движения.
На фото - автор принципа, немецкий физик Вернер Гейзенберг, по совместительству отец нацистской ядерной бомбы, так по счастью для всех нас и не родившейся на свет.
Иными словами, если мы предельно точно определим скорость (импульс) той или иной частицы, то окажется, что мы ничего не можем сказать о положении этой частицы в пространстве, и наоборот.
На физфаке по этому поводу даже существует "профессиональная" шутка: "О парах по квантовой физике можно точно сказать либо где они проходят, либо когда они проходят".
Из принципа неопределённости следует масса парадоксальных свойств квантовых систем (атомов и элементарных частиц), например, неприменимость к ним понятий вроде траектории движения.
На фото - автор принципа, немецкий физик Вернер Гейзенберг, по совместительству отец нацистской ядерной бомбы, так по счастью для всех нас и не родившейся на свет.
Изобретатели термометров: логичный Цельсий, строгий Кельвин, выдумщик Фаренгейт и устаревший Реомюр
Привычная нам шкала Цельсия до боли логична. За ноль была принята температура замерзания воды, за 100 градусов температура её кипения, остальной промежуток поделён поровну – вот, как говорится, и вся любовь. Правда, впоследствии выяснилось, что на практике это не очень удобно, так как такие процессы, как температура кипения замерзания воды зависит от ряда других факторов, например, давления. Однако к тому моменту, как это выяснилось, шкала Цельсия уже прижилась, и отказываться от неё не стали, а немного модифицировали (как – скажем чуть ниже).
В физике используется шкала Кельвина. Один градусв ней такой же, как и в шкале Цельсия, но за ноль принят абсолютный ноль температуры, то есть такое состояние вещества, которому соответствует ноль его тепловой энергии (-273,15). Именно температуру в градусах Кельвина подставляют в физические формулы – например, уравнение Менделеева-Клайперона и другие.
Сегодня шкала Кельвина вообще считается первичной, а шкала Цельсия – вторичной: сказано, что градус Цельсия равен градусу Кельвина, и по шкале Цельсия 0 соответствует 273,15 градусам Кельвина.
Раньше существовала ещё температурная шкала - шкала Реомюра. Ноль у неё там же, где и у Цельсия (точка замерзания льда), а за 1 градус Реомюр установил такое изменение температуры, при котором спирт изменяет (вследствие теплового расширения) свой объём на одну тысячную. Получилась шкала, 1 градус которой соответствует примерно 0,926 градусам Цельсия.
По мере того, как спиртовые термометры (которыми даже температуру кипения воды не померять – при 80 градусах Цельсия спирт закипает) вытеснялись ртутными, шкала Реомюра вытеснялась шкалой Цельсия и в конечном итоге была вытеснена ею окончательно как непрактичная. Хотя в построениях Реомюра хотя бы была некая логика.
Чего не скажешь о температурной шкале Фаренгейта, используемой в США.
За ноль в этой шкале принята температура замерзания смеси воды, льда и хлорида аммония в равных долях. Не будь в смеси хлорида аммония, получился бы такой же ноль как у Цельсия. Зачем Фаренгейт добавил аммоний, понизив температуру замерзания смеси, знал только он сам. Есть версия, что таким образом он «зафиксировал» самую низкую температуру холодной зимы 1709 года в его родном Гданьске.
За 100 градусов Фаренгейт принял температуру человеческого тела. Как нам понятно сегодня, это тоже, мягко говоря, не слишком удачный выбор: даже у здоровых людей температураа, бывает, сильно колеблется в течение дня, а уж у не очень здоровых… Кстати, Фаренгейт на это и напоролся: для градуировки своего первого термометра он измерил температуру тела своей супруги, которой как раз нездоровилось. В общем, на самом деле нормальной температуре 36,6 градуса на шкале Фаренгейта соответствует не 100 градусов, а 97,9.
Для того, чтобы перевести градусы Фаренгейта в градусы Цельсия, нужно сначала отнять 32, а затем умножить разность на 5/9. Температура кипения воды по Фаренгейту, например, составляет 212 градусов.
В настоящий момент градусами Фаренгейта пользуются лишь в США и связанных с ними странах, таких как Либерия, Белиз, Каймановы и Багамские острова и Палау. Мы же чаще всего будем пользоваться шкалой Кельвина: если в тексте не уточняется, о какой именно температуре идёт речь, то имеется в виду именно она.
На картинке изображён двойной термометр, одновременно измеряющий температуру и по Цельсию, и по Фаренгейту.
Привычная нам шкала Цельсия до боли логична. За ноль была принята температура замерзания воды, за 100 градусов температура её кипения, остальной промежуток поделён поровну – вот, как говорится, и вся любовь. Правда, впоследствии выяснилось, что на практике это не очень удобно, так как такие процессы, как температура кипения замерзания воды зависит от ряда других факторов, например, давления. Однако к тому моменту, как это выяснилось, шкала Цельсия уже прижилась, и отказываться от неё не стали, а немного модифицировали (как – скажем чуть ниже).
В физике используется шкала Кельвина. Один градусв ней такой же, как и в шкале Цельсия, но за ноль принят абсолютный ноль температуры, то есть такое состояние вещества, которому соответствует ноль его тепловой энергии (-273,15). Именно температуру в градусах Кельвина подставляют в физические формулы – например, уравнение Менделеева-Клайперона и другие.
Сегодня шкала Кельвина вообще считается первичной, а шкала Цельсия – вторичной: сказано, что градус Цельсия равен градусу Кельвина, и по шкале Цельсия 0 соответствует 273,15 градусам Кельвина.
Раньше существовала ещё температурная шкала - шкала Реомюра. Ноль у неё там же, где и у Цельсия (точка замерзания льда), а за 1 градус Реомюр установил такое изменение температуры, при котором спирт изменяет (вследствие теплового расширения) свой объём на одну тысячную. Получилась шкала, 1 градус которой соответствует примерно 0,926 градусам Цельсия.
По мере того, как спиртовые термометры (которыми даже температуру кипения воды не померять – при 80 градусах Цельсия спирт закипает) вытеснялись ртутными, шкала Реомюра вытеснялась шкалой Цельсия и в конечном итоге была вытеснена ею окончательно как непрактичная. Хотя в построениях Реомюра хотя бы была некая логика.
Чего не скажешь о температурной шкале Фаренгейта, используемой в США.
За ноль в этой шкале принята температура замерзания смеси воды, льда и хлорида аммония в равных долях. Не будь в смеси хлорида аммония, получился бы такой же ноль как у Цельсия. Зачем Фаренгейт добавил аммоний, понизив температуру замерзания смеси, знал только он сам. Есть версия, что таким образом он «зафиксировал» самую низкую температуру холодной зимы 1709 года в его родном Гданьске.
За 100 градусов Фаренгейт принял температуру человеческого тела. Как нам понятно сегодня, это тоже, мягко говоря, не слишком удачный выбор: даже у здоровых людей температураа, бывает, сильно колеблется в течение дня, а уж у не очень здоровых… Кстати, Фаренгейт на это и напоролся: для градуировки своего первого термометра он измерил температуру тела своей супруги, которой как раз нездоровилось. В общем, на самом деле нормальной температуре 36,6 градуса на шкале Фаренгейта соответствует не 100 градусов, а 97,9.
Для того, чтобы перевести градусы Фаренгейта в градусы Цельсия, нужно сначала отнять 32, а затем умножить разность на 5/9. Температура кипения воды по Фаренгейту, например, составляет 212 градусов.
В настоящий момент градусами Фаренгейта пользуются лишь в США и связанных с ними странах, таких как Либерия, Белиз, Каймановы и Багамские острова и Палау. Мы же чаще всего будем пользоваться шкалой Кельвина: если в тексте не уточняется, о какой именно температуре идёт речь, то имеется в виду именно она.
На картинке изображён двойной термометр, одновременно измеряющий температуру и по Цельсию, и по Фаренгейту.
Ура! Нашему каналу ровно 1 год! Спасибо, что вы с нами!
А теперь к делу)
Чёрное сердце нашей галактики
В самом центре нашей Галактики находится гигантская чёрная дыра массой в 4 миллиона Солнц. Этот объект, известный как Стрелец А* (Sagitarius A*, Sgr A*), был открыт в 1974 году, однако окончательно как чёрную дыру его идентифицировали в 2002-м.
Сама по себе чёрная дыра Стрелец А*, как и положено чёрной дыре, невидима. Однако она окружена облаком горячего газа, который постепенно поглощает – так называемым аккреционным диском. Именно этот горячий газ, нагревающийся в процессе падения в чёрную дыру, является источником электромагнитного излучения, по которому мы и нашли Стрелец А*. По расчётам Стрелец А* поглощает около одной миллиардной доли массы Солнца в год.
Почему мы решили, что имеем дело с чёрной дырой? А потому, что ничем иным этот объект являться не может. Наши наблюдения показывают, что масса в несколько миллионов солнечных сконцентрирована в пределах воображаемой сферы диаметром в 45 астрономических единиц (меньше радиуса орбиты Плутона), и даже если бы этот объект изначально был чем-то ещё, то уже давно стал бы именно чёрной дырой.
А новейшие сверхточные наблюдения показывают, что эта масса «упакована» в объём с радиусом меньшим, чем радиус орбиты Меркурия.
Массу объекта Стрелец А* определили по его влиянию на движение соседних звёзд.
Согласно современным представлениям, чёрные дыры подобных масс находятся в центрах всех или практически всех галактик. Однако как именно они образовались, мы пока не знаем. Одна из теорий гласит, что сверхмассивные «галактические» чёрные дыры образовались «естественным» путём – в результате взрыва как сверхновой массивной звезды массой порядка 30 масс Солнца. А уже затем новорожденная чёрная дыра звёздной массы быстро «набрала вес», питаясь высокоплотным веществом в центре галактики. Другая теория утверждает, что сверхмассивные чёрные дыры образовались напрямую в результате коллапса сверхплотных и сверхмассивных газовых облаков, минуя «звёздную» стадию.
Однако обе эти теории могут быть неверными. Нам известны сверхмассивные чёрные дыры, расположенные на расстоянии 14 миллиардов световых лет: то есть, мы наблюдаем их такими, какими они были 14 миллиардов лет назад, или спустя всего 500 миллионов лет после Большого Взрыва. Расчёты показывают, что за этот срок чёрные дыры не могли достаточно «растолстеть» за столь малое (по астрономическим масштабам) время.
А потому не исключено, что чёрные сердца галактик образовались по принципиально иному механизму – например, из так называемых флуктуаций плотности и без того сверхплотной материи в первые секунды Большого Взрыва.
В пользу этого аргумента говорит и то, что мы наблюдаем чёрные дыры звёздных масс и сверхмассивные чёрные дыры, но пока не видели ни одной чёрной дыры промежуточной массы (скажем, в 10 000 масс Солнца).
На картинке – снимок объекта Sgr A* в рентгеновском диапазоне, сделанный телескопом Чандра.
#космос #чёрные_дыры #млечный_путь
А теперь к делу)
Чёрное сердце нашей галактики
В самом центре нашей Галактики находится гигантская чёрная дыра массой в 4 миллиона Солнц. Этот объект, известный как Стрелец А* (Sagitarius A*, Sgr A*), был открыт в 1974 году, однако окончательно как чёрную дыру его идентифицировали в 2002-м.
Сама по себе чёрная дыра Стрелец А*, как и положено чёрной дыре, невидима. Однако она окружена облаком горячего газа, который постепенно поглощает – так называемым аккреционным диском. Именно этот горячий газ, нагревающийся в процессе падения в чёрную дыру, является источником электромагнитного излучения, по которому мы и нашли Стрелец А*. По расчётам Стрелец А* поглощает около одной миллиардной доли массы Солнца в год.
Почему мы решили, что имеем дело с чёрной дырой? А потому, что ничем иным этот объект являться не может. Наши наблюдения показывают, что масса в несколько миллионов солнечных сконцентрирована в пределах воображаемой сферы диаметром в 45 астрономических единиц (меньше радиуса орбиты Плутона), и даже если бы этот объект изначально был чем-то ещё, то уже давно стал бы именно чёрной дырой.
А новейшие сверхточные наблюдения показывают, что эта масса «упакована» в объём с радиусом меньшим, чем радиус орбиты Меркурия.
Массу объекта Стрелец А* определили по его влиянию на движение соседних звёзд.
Согласно современным представлениям, чёрные дыры подобных масс находятся в центрах всех или практически всех галактик. Однако как именно они образовались, мы пока не знаем. Одна из теорий гласит, что сверхмассивные «галактические» чёрные дыры образовались «естественным» путём – в результате взрыва как сверхновой массивной звезды массой порядка 30 масс Солнца. А уже затем новорожденная чёрная дыра звёздной массы быстро «набрала вес», питаясь высокоплотным веществом в центре галактики. Другая теория утверждает, что сверхмассивные чёрные дыры образовались напрямую в результате коллапса сверхплотных и сверхмассивных газовых облаков, минуя «звёздную» стадию.
Однако обе эти теории могут быть неверными. Нам известны сверхмассивные чёрные дыры, расположенные на расстоянии 14 миллиардов световых лет: то есть, мы наблюдаем их такими, какими они были 14 миллиардов лет назад, или спустя всего 500 миллионов лет после Большого Взрыва. Расчёты показывают, что за этот срок чёрные дыры не могли достаточно «растолстеть» за столь малое (по астрономическим масштабам) время.
А потому не исключено, что чёрные сердца галактик образовались по принципиально иному механизму – например, из так называемых флуктуаций плотности и без того сверхплотной материи в первые секунды Большого Взрыва.
В пользу этого аргумента говорит и то, что мы наблюдаем чёрные дыры звёздных масс и сверхмассивные чёрные дыры, но пока не видели ни одной чёрной дыры промежуточной массы (скажем, в 10 000 масс Солнца).
На картинке – снимок объекта Sgr A* в рентгеновском диапазоне, сделанный телескопом Чандра.
#космос #чёрные_дыры #млечный_путь
👍2
Ошибка физика, изменившая ход истории
Нацистская Германия вполне могла стать первым государством в мире, обладающей атомной бомбой: работы над супероружием немцы начали почти на два года раньше всех прочих, ещё в 1939-м. А не произошло этого во многом благодаря ошибке, допущенной одним участвующих в проекте физиков - Вальтером Боте.
Как известно, атомная бомба основана на реакции вынужденного деления ядра атома урана-235. Поглощая нейтрон, ядро такого атома распадается на два ядра-осколка, выделяя значительное количество энергии и ещё два-три нейтрона, каждый из которых, в свою очередь, может "взорвать" другие ядра урана с выделением ещё большей энергии и ещё большего числа нейтронов. Возникает цепная реакция, в ходе которой за короткое время вынужденно делится большое количество атомов урана и выделяется огромная энергия. Происходит атомный взрыв.
Проблема заключается в том, что получающиеся в результате вынужденного деления атома урана нейтроны летят слишком быстро для того, чтобы быть захваченными ядрами. Для того, чтобы запустить реакцию, их надо как-то замедлить.
Известно, что нейтроны замедляются, проходя через некоторые вещества. Но также они этими веществами и поглощаются. Следовательно, нужно выбрать такое вещество, которое замедляло бы нейтроны, но при этом минимально поглощало их. Работающие над проектом немецкой атомной бомбы физики в общем правильно отобрали на роль вещества замедлителя два кандидата: сверхчистый графит и тяжёлую воду (вместо обычного водорода, ядро которого представляет собой просто одиночный протон, тяжёлая вода состоит из дейтерия – тяжёлого изотопа водорода, ядра которого состоят из протона и нейтрона).
И здесь-то Вальтер Боте совершил свою историческую ошибку: проводя эксперимент по определению эффективности графита как замедлителя, он пришёл к неверному выводу, что графит на эту роль не подходит. В итоге создатели немецкой атомной бомбы были вынуждены остановиться на тяжёлой воде – очень редком на тот момент и крайне дорогостоящем веществе, которое в достойных количествах на тот момент производило лишь одно предприятие в мире.
Это была не единственная ошибка, допущенная немецкими физиками в этой истории. Однако она, пожалуй, явилась наиболее судьбоносной, отправившей всю немецкую науку по изначально ошибочному пути. Кроме того, работая в условиях постоянного жёсткого дефицита вещества-замедлителя, немецкие физики просто не имели ресурсов на "работу над ошибками".
Итог известен: первыми ядерную бомбу собрали американцы, на которых в тот момент работал весь цвет научной мысли Европы – в частности, Энрико Ферми, который правильно оценил замедляющий эффект углерода и рекомендовал использовать в качестве замедлителя именно его. А немецким физикам до самого конца войны не удалось добиться даже самоподдерживающейся цепной реакции. И слава богу: трудно представить, каким был бы наш мир, если бы в распоряжении Гитлера оказалась атомная бомба.
На фото: американские солдаты осматривают корпус самого последнего немецкого ядерного реактора, который, впрочем, так и не заработал.
#не_космос #ядерная_физика #физика_и_история
Нацистская Германия вполне могла стать первым государством в мире, обладающей атомной бомбой: работы над супероружием немцы начали почти на два года раньше всех прочих, ещё в 1939-м. А не произошло этого во многом благодаря ошибке, допущенной одним участвующих в проекте физиков - Вальтером Боте.
Как известно, атомная бомба основана на реакции вынужденного деления ядра атома урана-235. Поглощая нейтрон, ядро такого атома распадается на два ядра-осколка, выделяя значительное количество энергии и ещё два-три нейтрона, каждый из которых, в свою очередь, может "взорвать" другие ядра урана с выделением ещё большей энергии и ещё большего числа нейтронов. Возникает цепная реакция, в ходе которой за короткое время вынужденно делится большое количество атомов урана и выделяется огромная энергия. Происходит атомный взрыв.
Проблема заключается в том, что получающиеся в результате вынужденного деления атома урана нейтроны летят слишком быстро для того, чтобы быть захваченными ядрами. Для того, чтобы запустить реакцию, их надо как-то замедлить.
Известно, что нейтроны замедляются, проходя через некоторые вещества. Но также они этими веществами и поглощаются. Следовательно, нужно выбрать такое вещество, которое замедляло бы нейтроны, но при этом минимально поглощало их. Работающие над проектом немецкой атомной бомбы физики в общем правильно отобрали на роль вещества замедлителя два кандидата: сверхчистый графит и тяжёлую воду (вместо обычного водорода, ядро которого представляет собой просто одиночный протон, тяжёлая вода состоит из дейтерия – тяжёлого изотопа водорода, ядра которого состоят из протона и нейтрона).
И здесь-то Вальтер Боте совершил свою историческую ошибку: проводя эксперимент по определению эффективности графита как замедлителя, он пришёл к неверному выводу, что графит на эту роль не подходит. В итоге создатели немецкой атомной бомбы были вынуждены остановиться на тяжёлой воде – очень редком на тот момент и крайне дорогостоящем веществе, которое в достойных количествах на тот момент производило лишь одно предприятие в мире.
Это была не единственная ошибка, допущенная немецкими физиками в этой истории. Однако она, пожалуй, явилась наиболее судьбоносной, отправившей всю немецкую науку по изначально ошибочному пути. Кроме того, работая в условиях постоянного жёсткого дефицита вещества-замедлителя, немецкие физики просто не имели ресурсов на "работу над ошибками".
Итог известен: первыми ядерную бомбу собрали американцы, на которых в тот момент работал весь цвет научной мысли Европы – в частности, Энрико Ферми, который правильно оценил замедляющий эффект углерода и рекомендовал использовать в качестве замедлителя именно его. А немецким физикам до самого конца войны не удалось добиться даже самоподдерживающейся цепной реакции. И слава богу: трудно представить, каким был бы наш мир, если бы в распоряжении Гитлера оказалась атомная бомба.
На фото: американские солдаты осматривают корпус самого последнего немецкого ядерного реактора, который, впрочем, так и не заработал.
#не_космос #ядерная_физика #физика_и_история
👍2
Квазары: самые ярки огни Вселенной
Квазары поражают воображение: энергия их излучения аналогична миллиардам или даже триллионам Солнц!
К сожалению, разглядеть их невооружённым глазом нельзя: для наблюдения самого яркого квазара нашего неба, объекта 3C273, потребуется небольшой телескоп диаметром объектива примерно в 100 мм.
Но это потому, что квазары расположены неимоверно далеко от нас: вышеупомянутый 3C273 находится на расстоянии 2,5 миллиарда световых лет. Для сравнения, самая далёкая звезда, которую можно разглядеть невооружённым глазом, удалена «всего» на 16 тысяч световых лет.
Термин квазар - это аббревиатура от английского quasi-stellar, квазизвзёдный источник – то есть, нечто похожее на звезду, но звездой не являющееся. Его придумали тогда, когда природу квазаров ещё не понимали, а называть их как-то было нужно.
Что же такое квазары? Ответ прозвучит парадоксально: квазары – это чёрные дыры. Точнее сверхмассивные (миллионы масс Солнца!) чёрные дыры в центрах галактик.
«Позвольте, но ведь чёрная дыра не излучает свет, а, наоборот, поглощает его!» - может возразить читатель, и будет полностью прав. Однако свет квазара излучается не самой чёрной дырой, а веществом, которая эта дыра постепенно втягивает в себя силой своей гравитации.
Такое вещество не может падать в чёрную дыру по прямой из-за закона сохранения момента импульса. Вместо этого оно движется по постепенно сужающейся спирали. Массы вращающегося вещества, захваченные чёрной дырой в различное время, образуют плоский аккреционный диск (если что-то во Вселенной вокруг чего-то вращается, оно всегда образует плоский диск!).
Чем ближе к центру диска – тем меньше радиус спирали, и тем больше (опять же, закон сохранения импульса) скорость вращения вещества. Поэтому скорости вращения во внешних и внутренних слоях аккреционного диска могут сильно различаться.
Между более быстро и более медленно вращающимися слоями вещества аккреционного диска возникает трение. А любое трение приводит к выделению тепла. Иными словами, вещество аккреционного диска нагревается, причём достаточно сильно – до температур в миллионы градусов и выше (условия центра небольшой звезды!).
А любое нагретое вещество испускает электромагнитное излучение. Так как радиус аккреционного диска сопоставим с размерами Солнечной системы, становится понятно, почему столь обширный нагретый объект излучает достаточно сильно для того, чтобы быть замеченным с другого края Вселенной.
По мере того, как вещество приближается к центру чёрной дыры, с ним начинает происходит кое-что любопытное. Мы пока до конца не представляем, что именно, но результат нам известен: вместо того, чтобы быть поглощённым чёрной дырой, часть вещества с огромной скоростью выбрасывается далеко в космос в виде двух мощных струй, перпендикулярных плоскости аккреционного диска. Эти струи, также являются мощными источниками электромагнитного излучения.
Все квазары – чёрные дыры в центрах галактик. Но не всё чёрные дыры в центрах галактик – квазары. К примеру, Стрелец А*, чёрная дыра в ядре нашей галактики квазаром не является: она (а точнее, её аккреционный диск) хоть и генерирует довольно мощное излучение, это излучение не идёт ни в какое сравнение с сиянием квазаров.
Впрочем, ряд признаков указывают, что ещё 500-600 лет назад центр нашей галактики также был активен. Однако теперь это не так. В будущем ядро нашей галактики может зажечься вновь: например, это, вполне вероятно, произойдёт после столкновения нашей галактики с галактикой Андромеды (примерно через 5 миллиардов лет). А возможно и куда раньше.
Вероятно, всё зависит от состояния ближайших окрестностей центра данной конкретной галактики – например, достаточно ли там межзвёздного газа для того, чтобы аккреционный диск был достаточно плотным для «зажигания» квазара.
На картинках: квазар на снимках телескопа Хаббл, квазар в представлении художника, галактика М86 с активным ядром, испускающая струю-джет, реальное фото чёрной дыры в центре галактики М86 со светящимся аккреционным диском вокруг неё.
#космос #квазары #аккреция #чёрные_дыры
Квазары поражают воображение: энергия их излучения аналогична миллиардам или даже триллионам Солнц!
К сожалению, разглядеть их невооружённым глазом нельзя: для наблюдения самого яркого квазара нашего неба, объекта 3C273, потребуется небольшой телескоп диаметром объектива примерно в 100 мм.
Но это потому, что квазары расположены неимоверно далеко от нас: вышеупомянутый 3C273 находится на расстоянии 2,5 миллиарда световых лет. Для сравнения, самая далёкая звезда, которую можно разглядеть невооружённым глазом, удалена «всего» на 16 тысяч световых лет.
Термин квазар - это аббревиатура от английского quasi-stellar, квазизвзёдный источник – то есть, нечто похожее на звезду, но звездой не являющееся. Его придумали тогда, когда природу квазаров ещё не понимали, а называть их как-то было нужно.
Что же такое квазары? Ответ прозвучит парадоксально: квазары – это чёрные дыры. Точнее сверхмассивные (миллионы масс Солнца!) чёрные дыры в центрах галактик.
«Позвольте, но ведь чёрная дыра не излучает свет, а, наоборот, поглощает его!» - может возразить читатель, и будет полностью прав. Однако свет квазара излучается не самой чёрной дырой, а веществом, которая эта дыра постепенно втягивает в себя силой своей гравитации.
Такое вещество не может падать в чёрную дыру по прямой из-за закона сохранения момента импульса. Вместо этого оно движется по постепенно сужающейся спирали. Массы вращающегося вещества, захваченные чёрной дырой в различное время, образуют плоский аккреционный диск (если что-то во Вселенной вокруг чего-то вращается, оно всегда образует плоский диск!).
Чем ближе к центру диска – тем меньше радиус спирали, и тем больше (опять же, закон сохранения импульса) скорость вращения вещества. Поэтому скорости вращения во внешних и внутренних слоях аккреционного диска могут сильно различаться.
Между более быстро и более медленно вращающимися слоями вещества аккреционного диска возникает трение. А любое трение приводит к выделению тепла. Иными словами, вещество аккреционного диска нагревается, причём достаточно сильно – до температур в миллионы градусов и выше (условия центра небольшой звезды!).
А любое нагретое вещество испускает электромагнитное излучение. Так как радиус аккреционного диска сопоставим с размерами Солнечной системы, становится понятно, почему столь обширный нагретый объект излучает достаточно сильно для того, чтобы быть замеченным с другого края Вселенной.
По мере того, как вещество приближается к центру чёрной дыры, с ним начинает происходит кое-что любопытное. Мы пока до конца не представляем, что именно, но результат нам известен: вместо того, чтобы быть поглощённым чёрной дырой, часть вещества с огромной скоростью выбрасывается далеко в космос в виде двух мощных струй, перпендикулярных плоскости аккреционного диска. Эти струи, также являются мощными источниками электромагнитного излучения.
Все квазары – чёрные дыры в центрах галактик. Но не всё чёрные дыры в центрах галактик – квазары. К примеру, Стрелец А*, чёрная дыра в ядре нашей галактики квазаром не является: она (а точнее, её аккреционный диск) хоть и генерирует довольно мощное излучение, это излучение не идёт ни в какое сравнение с сиянием квазаров.
Впрочем, ряд признаков указывают, что ещё 500-600 лет назад центр нашей галактики также был активен. Однако теперь это не так. В будущем ядро нашей галактики может зажечься вновь: например, это, вполне вероятно, произойдёт после столкновения нашей галактики с галактикой Андромеды (примерно через 5 миллиардов лет). А возможно и куда раньше.
Вероятно, всё зависит от состояния ближайших окрестностей центра данной конкретной галактики – например, достаточно ли там межзвёздного газа для того, чтобы аккреционный диск был достаточно плотным для «зажигания» квазара.
На картинках: квазар на снимках телескопа Хаббл, квазар в представлении художника, галактика М86 с активным ядром, испускающая струю-джет, реальное фото чёрной дыры в центре галактики М86 со светящимся аккреционным диском вокруг неё.
#космос #квазары #аккреция #чёрные_дыры