Ғарыштың әр бөлігінде гравитация қалай жұмыс істейді

Ғалам іргелі физикалық заңдар әрекет ететін үлкен кеңістікті білдіреді. Гравитация ғарыш құрылымын анықтайтын табиғаттың төрт негізгі күшінің бірі болып табылады. Бұл тарту күші объектілердің массасына және олардың арасындағы қашықтыққа байланысты әртүрлі көрінеді. Гравитациялық әсерлерді түсіну ғалымдарға планеталардың қозғалысын, галактикалардың қалыптасуын және жұлдызды жүйелердің эволюциясын түсіндіруге көмектеседі. Әмбебап тартылыс Әлемнің әртүрлі бұрыштарында қалай әрекет ететінін қарастырайық.

Планеталар бетіндегі гравитация

Аспан денелеріндегі тарту күші олардың массасы мен радиусына тәуелді болады. Үлкен тығыздығы бар планеталар өз бетінде неғұрлым қарқынды гравитациялық өріс жасайды. Ғарышкерлер мен ғарыштық аппараттар қай объектіде тұрғанына байланысты әртүрлі әсерді сезінеді.

Гравитациялық жағдайларды салыстыру айтарлықтай айырмашылықтарды көрсетеді:

• жерде еркін құлау үдеуі секундына 9,8 метр квадратты құрайды;
• юпитерлік бет планетаның үлкен массасына байланысты жердегіден 2,5 есе күшті қысым жасар еді;
• марстық тартылыс жердегінің шамамен 38%-ына тең, бұл ұзын секірулер жасауға мүмкіндік береді;
• ай біз үйренген күштің тек 16%-ын қамтамасыз етеді, бұл қозғалысты жеңіл және ерекше етеді.

Гравитациядағы айырмашылықтар тірі ағзалардың физиологиясына әсер етеді. Төмендетілген тартылыс жағдайында ұзақ болу адамның бұлшықеттері мен сүйектерін әлсіретеді. Орбиталық станциялардағы ғарышкерлер дене қалпын сақтау үшін үнемі жаттығулар орындайды.

Салмақсыздық және орбиталық қозғалыс

Салмақсыздық күйі тартылыстың болмауынан емес, еркін құлау арқасында пайда болады. Ғарыш станциясы және ондағы адамдар үнемі планетаға құлайды, бірақ оны айналып өтетіндей жылдамдықпен қозғалады. Бұл тартылыс күшінің толық болмауының иллюзиясын жасайды.

Орбиталық механика салмақсыздық парадоксын күштер тепе-теңдігі арқылы түсіндіреді:

1. Серік белгілі бір жылдамдықпен жанама траектория бойымен қозғалады. Инерция объектіні орталық денеден тікелей сызық бойымен ашық ғарышқа алып кетуге ұмтылады.
2. Гравитациялық тартылыс түзу жолды қисайтып, объектіні үнемі планетаға қарай ауытқытады. Нәтижесінде массивті дене айналасында эллипстік немесе дөңгелек орбита пайда болады.
3. Жер үшін бірінші ғарыштық жылдамдық шамамен секундына 7,9 шақырымға тең болады. Осы көрсеткішке жеткен кезде объект бетке құламайды, планета айналасында тұрақты биіктікте айнала береді.
4. Орбита биіктігі серіктің қажетті қозғалыс жылдамдығын анықтайды. Тартылыс орталығынан қашық болған сайын, объект дөңгелек траекторияны ұстап тұру үшін баяу қозғалуы керек.

Ғарышкерлер салмақсыздықты сезінеді, өйткені станциямен бірге құлайды. Құлап жатқан лифт ішінде адам да жермен соқтығысу сәтіне дейін ұқсас күйді сезінер еді.

Қара тесіктер және экстремалды тартылыс

Ыдыраған жұлдыздар Әлемдегі ең қуатты гравитациялық өрістер жасайды. Қара тесік тартылыс соншалықты үлкен болатын кеңістік аймағын білдіреді, тіпті жарық та оның шекарасын тастай алмайды. Осы аймақтың шегі оқиғалар көкжиегі деп аталады.

Аса тығыз объектілердің бірегей қасиеттері бірнеше әсерлерде көрінеді:

• көкжиекке жақындаған сайын уақыт баяулайды, бұл Эйнштейннің салыстырмалылық теориясымен расталады;
• толқын күштері қара тесікке құлайтын объектілерді созып, оларды атомдарға бөледі;
• заттардан тұратын аккрециялық диск сингулярлық айналасында айналып, миллион градусқа дейін қызады;
• хокинг сәулеленуі қара тесіктерге кванттық эффектілер арқылы массасын баяу жоғалтуға мүмкіндік береді.

Біздің галактика орталығына жақын жұлдыздарды бақылау аса массивті объектінің бар екенін растады. Жарық денелері миллион күннің массасы бар көзге көрінбейтін нүкте айналасында эллипстік орбиталар бойымен қозғалады. Бұл деректер алып қара тесік Мерген А жұлдызының болуының тікелей дәлелі болды.

Гравитациялық толқындар және кеңістіктің қисаюы

Массивті денелер кеңістік-уақыт матасын созылған резеңке пленкадағы ауыр допқа ұқсас деформациялайды. Үлкен массалардың үдемелі қозғалысы жарық жылдамдығымен таралатын осы құрылымда толқын туғызады. Ғалымдар мұндай тербелістерді алғаш рет 2015 жылы тіркеді.

LIGO детекторлары бір миллиард жарық жылынан астам қашықтықтағы екі қара тесіктің бірігуінен сигналды анықтады. Жерге жеткен толқындар соншалықты әлсіз болды, детектордың ұзындығын протон диаметрінің бөлігіне өзгертті. Бұл ашылым Альберт Эйнштейн ғасырмен бұрын жасаған жалпы салыстырмалылық теориясының болжамын растады.

Гравитациялық тербелістердің көздері апаттық ғарыштық оқиғаларды қамтиды:

1. Нейтронды жұлдыздардың бірігуі толқындардың және электромагниттік сәулеленудің қуатты шашырауын шығарады. Мұндай оқиғаларды бақылау экстремалды тығыздық пен температурадағы заттың мінез-құлқын зерттеуге мүмкіндік береді.
2. Массивті жарық денелерінің өмірлік циклінің соңындағы ыдырауы асимметриялық толқулар генерациялайды. Асқын жаңа жұлдыздардың жарылыстары апат орталығынан барлық бағытқа толқындар жібереді.
3. Қара тесіктердің қос жүйелерінің айналуы өсіп келе жатқан амплитудалы периодты тербелістер туғызады. Объектілер гравитациялық толқындардың сәулеленуі арқылы энергия жоғалтып, біртіндеп жақындасады.

Осы құбылыстарды тіркеу астрономияда жаңа дәуірді ашты. Енді зерттеушілер ғарышты электромагниттік телескоптар арқылы ғана бақыламай, «есте» алады.

Қараңғы материя және жасырын масса

Көрінетін материя Әлемнің жалпы массасының аз ғана бөлігін құрайды. Галактикалар бақыланатын жұлдыздар мен газдардың тартылысы рұқсат ететінінен жылдам айналады. Бұл сәйкессіздік аспан денелерінің қозғалысына әсер ететін көзге көрінбейтін компоненттің болуын көрсетеді.

Қараңғы материя жарық шығармайды және жұтпайды, бірақ гравитациялық әсер арқылы өзін көрсетеді:

• галактикалардың сыртқы аймақтарының айналу жылдамдығы күтілетін төмендеудің орнына тұрақты болып қалады;
• гравитациялық линзалау алыс объектілерден фотондардың траекторияларын болжанғаннан күштірек қисайтады;
• ірі масштабты құрылымдардың қалыптасуы материяны бірге ұстап тұру үшін қосымша масса талап етеді;
• реликт сәулеленудің өлшемдері қарапайым зат ғарыш энергиясының тек 5%-ын құрайтынын көрсетеді.

Қараңғы компоненттің табиғаты заманауи физиканың жұмбағы болып қала береді. Болжамды кандидаттар әлсіз әрекеттесетін массивті бөлшектерді, аксиондарды немесе тартылыс теориясының модификацияларын қамтиды. Осы бөлшектерді іздеу бойынша эксперименттер бүкіл әлем бойынша жер асты зертханаларында жалғасуда.

Гравитациялық әсерлерді зерттеу шындық құрылымы туралы адамзаттың танымының шекараларын кеңейтеді. Әрбір жаңа ашылым кеңістік, уақыт және материя табиғаты туралы қосымша сұрақтар қояды. Бақылау технологияларын жетілдіру іргелі өзара әрекеттесудің құпияларына тереңірек енуге мүмкіндік береді. Болашақ ғалымдар ұрпақтары Әлемнің архитектурасын қалыптастыратын ең жұмбақ күшті зерттеуді жалғастырады.