«Любопытные дети» — серия для детей всех возрастов. Если у вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ эксперта, отправьте его на CuriousKidsUS@theconversation.com.
Вращаться весело, и способов это делать множество. От карусели до офисного кресла — вращение повсюду, даже в космосе.
Как астрофизики, мы знаем, что вращение — или обращение — чрезвычайно распространено в космосе. Земля, Луна, Солнце, весь Млечный Путь и множество объектов внутри и вне него вращаются.
Но почему? Почему в космосе вообще что-то вращается? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала нужно понять, как объекты вращаются.
У вращения тоже есть законы
Количество вращения, которым обладает объект, называется его моментом импульса. Оно зависит от массы объекта и от того, как эта масса распределена вокруг центра масс объекта. Центр масс — это точка, в которой объект можно уравновесить. Вы пробовали балансировать линейку на пальце? Вы балансируете её посередине — это и есть центр масс.
Если что-то вращается, и его масса и форма остаются неизменными, скорость вращения сохраняется. Если масса или форма меняются, меняется и скорость вращения. Внешние силы могут изменить общее количество вращения объекта.
Представьте, что вы крутитесь на кресле. Если сначала попробовать вращаться с разведёнными ногами, вы обнаружите, что можете поджать ноги, чтобы крутиться быстрее. Это явление объясняется законом сохранения момента импульса. Подтягивание ног внутрь меняет вашу форму и приближает массу — ваши ноги — к центру масс, заставляя вас вращаться быстрее. Позже кресло замедляется и останавливается. Его вращающиеся части трутся друг о друга и нагреваются из-за трения, которое превращает энергию движения в тепло.
Другой пример — вращающиеся фигуристы, которые крутятся быстрее, когда прижимают руки к себе. Закон сохранения момента импульса применим ко всему, а значит, и к галактикам.
Как построить галактику
Теперь, когда мы понимаем, как объекты вращаются, давайте посмотрим, как формируются галактики и почему они вращаются.
Галактики чрезвычайно массивны. Они состоят из обычной материи, включая звёзды, планеты, газ, пыль и людей. Они также содержат тёмную материю, о которой учёные знают меньше, но могут изучать через её гравитационное притяжение к объектам.
Оба типа материи обладают массой: они могут притягивать друг друга посредством гравитации — так же, как гравитация Земли удерживает вас на земле. Когда Вселенная только формировалась, тёмная материя помогала стягивать облака газа и пыли в галактики. Представьте два облака газа и пыли в космосе, движущиеся навстречу друг другу с любого направления. Маловероятно, что облака столкнутся идеально лоб в лоб; чаще они сближаются не по центру.
Облака имеют общий центр масс, и в зависимости от их относительной скорости, направления и массы гравитация может заставить облака закручиваться друг в друга и сливаться. Таким образом, если облака умудряются притягиваться и закручиваться друг в друга, начальное спиральное движение сохраняется в итоговом вращении объединённого облака согласно закону сохранения момента импульса.
Это моделирование показывает, как формируется галактика, подобная нашему Млечному Пути. Видео NASA показывает магнитные шарики, брошенные друг в друга в космосе. Представьте, что шарики — это облака. Иногда шарики закручиваются друг в друга и слипаются. В других случаях шарики пролетают мимо. В каждом случае существует общее количество вращения, которое шарики разделяют, даже если вы не можете определить это на глаз.
Как только облака закручиваются друг в друга, материал внутри них сталкивается. Это столкновение сжимает облака, меняя их общее движение и нагревая их до свечения. Облака замедляются, проходя друг сквозь друга, и отдаляются, но больше не могут избежать гравитационного притяжения друг друга. Они продолжают этот спиральный танец, пока не сольются в более крупное вращающееся облако. Затем процесс повторяется для более крупных вращающихся облаков.
В зависимости от угла, скорости и массы облаков при встрече эти столкновения могут ускорить, замедлить или обратить вращение. В конце концов, облако становится достаточно большим, что дальнейшие столкновения с меньшими облаками уже не сильно влияют на общее вращательное движение.
Газ и пыль также падают непосредственно в облака вместе с потоками материи, называемыми космическими нитями. Вместе облака и нити объединяются, образуя вращающуюся галактику. Эта галактика будет продолжать вращаться, если с ней что-то не случится, например, слияние с другой галактикой.
Это моделирование Королевского астрономического общества показывает формирование крупной галактики.
Большая тройка
Существует три основных типа галактик, каждый с разным уровнем организованного вращения внутри.
Неправильные галактики — это сгустки газа, пыли и звёзд. У них есть общее направление вращения, хотя некоторые объекты его не придерживаются.
Спиральные галактики более организованы. У них есть плоский диск со спиральными рукавами и центральное галактическое ядро. Большая часть материи в диске следует одному направлению вращения, хотя в центре всё немного хаотичнее. Спиральные рукава — это как пробки на дорогах, где больше звёзд, газа и пыли, и материи требуется больше времени, чтобы покинуть спиральные рукава и попасть в пространство между ними.
Эллиптические галактики имеют много звёзд, но очень мало газа и пыли, и многие из них являются результатом слияния галактик. Звёзды обращаются вокруг галактического центра, но могут следовать или не следовать организованному вращению в зависимости от истории их формирования и слияний.
Все галактики вращаются, но не все галактики вращаются одинаково!
Источники: The Conversation, серия Curious Kids; NASA; Королевское астрономическое общество.
Ваш комментарий