Страница 259 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Каков примерный химический состав межзвёздного вещества во Вселенной?

Межзвёздное вещество, заполняющее пространство между звёздами в галактиках, состоит из двух основных компонентов: газа и пыли. Их химический состав отражает общее содержание элементов во Вселенной, сложившееся после Большого взрыва и в результате эволюции звёзд.

Химический состав газа (около 99% массы межзвёздного вещества):

Состав газовой компоненты по массе примерно следующий:

• Водород (H): Является самым распространённым элементом, составляя около 75% от массы газа. В зависимости от физических условий он может существовать в различных формах: атомарный водород (области H I), ионизированный водород (протоны в областях H II вокруг горячих звёзд) и молекулярный водород ($H_2$) в плотных и холодных молекулярных облаках.
• Гелий (He): Второй по распространённости элемент, его доля составляет около 24% по массе.
• Тяжёлые элементы ("металлы"): Все остальные химические элементы, которые тяжелее гелия, составляют всего около 1-2% массы. В астрономии их условно называют "металлами". Наиболее значимые из них — кислород (O), углерод (C), неон (Ne), азот (N), кремний (Si), магний (Mg) и железо (Fe). Эти элементы синтезируются в недрах звёзд и рассеиваются в межзвёздном пространстве.

Химический состав пыли (около 1% массы межзвёздного вещества):

Межзвёздная пыль — это твёрдые микроскопические частицы (пылинки), которые состоят из более тяжёлых элементов. Основные компоненты пыли:

• Силикаты: Соединения на основе кремния и кислорода (например, оливины и пироксены), которые образуют тугоплавкие ядра пылинок.
• Углеродные соединения: Различные формы углерода, такие как графит, аморфный углерод, а также сложные органические молекулы (например, полициклические ароматические углеводороды).
• Льды: В холодных, защищённых от излучения областях (молекулярных облаках) на поверхности пылинок намерзают ледяные мантии. Они состоят из замёрзших молекул, таких как вода ($H_2O$), монооксид углерода (CO), диоксид углерода ($CO_2$), метан ($CH_4$) и аммиак ($NH_3$).

Ответ: Примерный химический состав межзвёздного вещества по массе: ~75% водорода, ~24% гелия и ~1-2% всех остальных, более тяжёлых элементов (кислород, углерод, кремний и др.). Большая часть этого вещества находится в виде газа, а меньшая (около 1%) — в виде твёрдых пылинок, состоящих из силикатов, углеродных соединений и различных льдов.

2. Опишите примерный процесс образования протосолнца.

Процесс образования протосолнца — это начальный этап формирования звезды типа нашего солнца. Он происходит в несколько стадий и занимает сотни тысяч лет.

1. Начало в молекулярном облаке. Всё начинается в глубинах гигантского молекулярного облака — огромного, холодного ($T \approx 10-20$ K) и разреженного скопления межзвездного газа (в основном молекулярного водорода $H_2$) и пыли. Такое облако может быть стабильным в течение миллионов лет.

2. Гравитационный коллапс. Некое внешнее событие, такое как ударная волна от взрыва сверхновой, столкновение с другим облаком или прохождение через спиральный рукав галактики, нарушает равновесие. Плотность в некоторой области облака возрастает, и если её масса превышает критическую (массу джинса), гравитация начинает преобладать над силами газового давления. Эта область, называемая глобулой, начинает неудержимо сжиматься под действием собственной тяжести. Этот процесс называется гравитационным коллапсом.

3. Формирование протозвезды и аккреционного диска. По мере сжатия вещество падает к центру, и его гравитационная потенциальная энергия преобразуется в тепловую. Центральная часть сгустка становится все более плотной и горячей, формируя ядро — протозвезду (протосолнце). Поскольку исходное облако всегда обладает некоторым, пусть и малым, вращательным моментом, по закону сохранения момента импульса скорость вращения сжимающегося сгустка возрастает. Это приводит к тому, что вещество не может упасть прямо на протозвезду, а формирует вокруг нее сплющенный вращающийся диск — протопланетный (или аккреционный) диск.

4. Рост и разогрев. Протосолнце продолжает расти, «поедая» вещество, падающее на него из аккреционного диска. Этот процесс называется аккрецией. В течение этой фазы, которая длится около 100 000 лет, протосолнце является ярким источником излучения, но его энергия генерируется не термоядерными реакциями, а продолжающимся гравитационным сжатием (механизм кельвина-гельмгольца). Температура в его ядре постепенно растет.

5. Зажигание термоядерных реакций. Когда температура и давление в центре протосолнца достигают критических значений (температура порядка 10–15 миллионов кельвинов), запускается термоядерная реакция синтеза — превращение ядер водорода в ядра гелия. Этот момент считается рождением настоящей звезды. Энергия, выделяемая в ходе реакций, создает мощное давление изнутри, которое уравновешивает силу гравитационного сжатия. Звезда достигает состояния гидростатического равновесия и вступает на главную последовательность — наиболее длительный этап своей эволюции. С этого момента протосолнце становится Солнцем.

Ответ:

Процесс образования протосолнца начинается с гравитационного коллапса плотного и холодного фрагмента (глобулы) гигантского молекулярного облака. В ходе сжатия в центре формируется горячее ядро — протосолнце, а из-за сохранения момента импульса вокруг него образуется вращающийся газопылевой (протопланетный) диск. Протосолнце увеличивает свою массу и температуру за счет аккреции вещества из диска и продолжающегося гравитационного сжатия. Когда температура и давление в его ядре достигают пороговых значений для начала термоядерных реакций синтеза водорода в гелий, протосолнце превращается в полноценную звезду — Солнце.

3. Как образовывался газопылевой диск?

Как образовался газопылевой диск?

Газопылевой диск, также известный как протопланетный диск, является неотъемлемой стадией формирования звёзд и планетных систем. Его образование — это результат фундаментальных физических законов, действующих на гигантские облака межзвёздного вещества. Процесс можно описать следующими этапами:

1. Начало: Гравитационный коллапс. В космосе существуют огромные, холодные и плотные молекулярные облака, состоящие преимущественно из газа (водород, гелий) и частиц пыли. Под действием собственной гравитации или из-за внешнего толчка (например, ударной волны от сверхновой) наиболее плотная область такого облака начинает сжиматься. Этот процесс называется гравитационным коллапсом.

2. Рождение протозвезды. По мере сжатия вещество падает к центру масс, его потенциальная энергия переходит в кинетическую, а при столкновениях — в тепловую. В центре облака формируется горячее и очень плотное ядро — протозвезда. Она продолжает расти, притягивая к себе всё больше окружающего вещества.

3. Роль вращения: Закон сохранения момента импульса. Изначальное облако, как и любой объект во Вселенной, обладает некоторым начальным вращением (моментом импульса). По мере того как облако сжимается и его радиус уменьшается, его скорость вращения резко возрастает. Это следует из закона сохранения момента импульса ($L = I \omega = \text{const}$). Момент инерции $I$ (который для сферы пропорционален квадрату радиуса, $I \sim m R^2$) уменьшается, следовательно, угловая скорость $\omega$ должна увеличиться, чтобы момент импульса $L$ оставался постоянным. Этот эффект можно наблюдать у фигуриста, который начинает вращаться быстрее, прижимая руки к телу.

4. Формирование диска. Увеличившаяся скорость вращения приводит к возникновению мощной центробежной силы. Эта сила действует наружу от оси вращения и наиболее сильна в экваториальной плоскости. Она противодействует силе гравитации и мешает веществу в этой плоскости упасть прямо на протозвезду. Вместо этого газ и пыль "оседают" на орбитах вокруг центрального объекта, образуя плоскую, вращающуюся структуру — газопылевой диск. В то же время вещество, находящееся вблизи полюсов, где центробежная сила мала, продолжает падать на протозвезду, увеличивая её массу.

В результате этого процесса из первоначально бесформенного облака рождается упорядоченная система: молодая звезда в центре, окружённая аккреционным (газопылевым) диском, из материала которого в будущем сформируются планеты, спутники, астероиды и кометы.

Ответ: Газопылевой диск образуется в процессе формирования звезды из-за гравитационного сжатия части межзвёздного облака. Ключевую роль играет закон сохранения момента импульса: по мере сжатия облако начинает вращаться всё быстрее, и центробежная сила "расплющивает" его в плоский диск вокруг новорождённой протозвезды, не давая веществу в экваториальной плоскости упасть на неё.

4. Поясните механизм образования планетезимали.

Решение

Планетезимали — это твёрдые космические тела, «зародыши» планет, размером от одного до нескольких сотен километров. Их формирование является ключевым этапом в образовании планетных систем и происходит в несколько стадий внутри протопланетного диска, вращающегося вокруг молодой звезды.

1. Коагуляция пыли.

Изначально протопланетный диск состоит из газа и микроскопических пылинок (силикаты, металлы, частицы льда). Эти пылинки сталкиваются друг с другом из-за разницы в орбитальных скоростях и броуновского движения. Благодаря электростатическим силам и силам Ван-дер-Ваальса они слипаются при столкновениях. Этот процесс, называемый коагуляцией, приводит к постепенному росту частиц от микронных размеров до сантиметровых. Такие частицы называют «галькой» (pebbles).

2. «Метровый барьер».

По мере роста до размеров от нескольких сантиметров до метра тела сталкиваются с серьёзной проблемой. Газ в диске вращается медленнее твёрдых тел, поскольку он поддерживается градиентом давления. В результате на тела действует газовое сопротивление («встречный ветер»), которое тормозит их и заставляет терять орбитальную энергию. Это приводит к тому, что они по спирали очень быстро (за сотни или тысячи лет) падают на звезду, не успевая вырасти до более крупных размеров.

3. Механизмы преодоления барьера и формирования планетезималей.

Для объяснения того, как «галька» быстро объединяется в километровые планетезимали, минуя стадию медленного роста и падения на звезду, существуют несколько ведущих теорий:

• Потоковая неустойчивость (Streaming Instability). Это наиболее признанный механизм. Он заключается в том, что «галька» и газ в диске взаимодействуют друг с другом, что приводит к самоорганизации частиц в плотные группы или волокна. В этих скоплениях коллективное сопротивление газа снижается, что позволяет им двигаться как единое целое и избегать быстрого падения на звезду. Более быстрые одиночные частицы догоняют эти скопления и присоединяются к ним, увеличивая их плотность. Когда плотность сгустка достигает критического значения, он коллапсирует под действием собственной гравитации, образуя крупную планетезималь (размером 10-100 км).

• Гравитационная неустойчивость. Твёрдые частицы оседают к центральной плоскости диска, формируя очень тонкий и плотный пылевой слой. Если этот слой становится достаточно плотным, он может стать гравитационно неустойчивым и распасться на множество сгустков, которые затем сжимаются в планетезимали. Однако турбулентность газа в диске часто препятствует образованию такого плотного слоя.

• Концентрация в «ловушках давления». В протопланетном диске существуют неоднородности, например, вихри или границы ледяных линий, где создаются зоны повышенного давления. Дрейфующие к звезде частицы попадают в эти «ловушки» и накапливаются там. Когда концентрация вещества в ловушке становится достаточно высокой, может запуститься гравитационный коллапс, ведущий к формированию планетезимали.

Как только образуются тела размером более 1 км, их собственная гравитация становится доминирующей силой. Они начинают эффективно притягивать окружающую «гальку» и другие, более мелкие планетезимали, продолжая расти и превращаясь в протопланеты.

Ответ: Планетезимали образуются в протопланетном диске из микроскопических пылинок, которые сначала слипаются в более крупные частицы («гальку») благодаря негравитационным силам. Для преодоления «метрового барьера» (быстрого падения на звезду) эти частицы концентрируются в плотные скопления, в основном, за счёт механизма потоковой неустойчивости или в «ловушках давления». Эти сверхплотные скопления затем быстро коллапсируют под действием собственной гравитации, формируя тела километровых размеров — планетезимали.

5. Из каких астрономических объектов состоит койперовский пояс в Солнечной системе?

Решение

Пояс Койпера — это обширная дискообразная область в Солнечной системе, которая простирается за орбитой Нептуна на расстоянии примерно от 30 до 50 астрономических единиц (а.е.) от Солнца. Он населён множеством малых тел, которые являются остатками протопланетного диска, из которого сформировались планеты. Эти объекты, называемые объектами пояса Койпера (ОПК) или транснептуновыми объектами (ТНО), состоят преимущественно из летучих веществ, таких как водяной, метановый и аммиачный лёд, смешанных с каменными породами и пылью.

Астрономические объекты, из которых состоит пояс Койпера, можно классифицировать следующим образом:

Малые ледяные тела (планетезимали)

Это основная и самая многочисленная составляющая пояса. По оценкам, в поясе Койпера находятся сотни тысяч объектов диаметром более 100 км и, вероятно, триллионы более мелких тел, похожих на кометные ядра. Они представляют собой "строительный материал", не вошедший в состав планет-гигантов.

Карликовые планеты

Это самые крупные объекты пояса Койпера, обладающие достаточной массой, чтобы их собственная гравитация придала им близкую к сферической форму. К ним относятся всемирно известные тела: - Плутон: самый известный объект пояса Койпера, который до 2006 года считался девятой планетой Солнечной системы. - Хаумеа: отличается вытянутой формой из-за очень быстрого вращения и имеет два спутника. - Макемаке: является одним из самых ярких объектов в поясе Койпера после Плутона. Стоит отметить, что карликовая планета Эрида, хотя и находится за орбитой Нептуна, обычно причисляется к объектам рассеянного диска — более удалённой и вытянутой области, примыкающей к поясу Койпера.

Спутники

Многие крупные объекты пояса Койпера, включая карликовые планеты, имеют собственные естественные спутники. Например, система Плутона насчитывает пять спутников, крупнейший из которых, Харон, настолько велик, что центр масс системы Плутон-Харон находится вне Плутона.

Источники комет

Пояс Койпера считается основным "резервуаром" для короткопериодических комет (с периодом обращения вокруг Солнца менее 200 лет). Гравитационное влияние Нептуна и других планет-гигантов может нарушить стабильность орбит некоторых объектов пояса Койпера, отправляя их во внутреннюю часть Солнечной системы. Приближаясь к Солнцу, эти ледяные тела нагреваются и образуют характерные для комет кому и хвост.

Ответ: Пояс Койпера состоит из множества малых ледяных тел (планетезималей), нескольких карликовых планет (таких как Плутон, Хаумеа и Макемаке), их спутников, а также является источником короткопериодических комет. Эти объекты являются остатками формирования Солнечной системы и состоят в основном из замерзших газов (воды, метана, аммиака) и скальных пород.