что такое гравитационный резонанс
СОДЕРЖАНИЕ
История
Виды резонанса
В общем, орбитальный резонанс может
Линдбладовский резонанс приводы спиральных волны плотности как в галактиках (где звезды подлежат заставляя сами спиральными ветвями) и в кольцах Сатурна (где кольцо частица подлежит принуждая от спутников Сатурна ).
Несколько ярких примеров светского резонанса связаны с Сатурном. Резонанс между прецессией оси вращения Сатурна и осью орбиты Нептуна (обе имеют периоды около 1,87 миллиона лет) был идентифицирован как вероятный источник большого наклона оси Сатурна (26,7 °). Изначально Сатурн, вероятно, имел наклон ближе к Юпитеру (3,1 °). Постепенное истощение пояса Койпера уменьшило бы скорость прецессии орбиты Нептуна; в конечном итоге частоты совпали, и осевая прецессия Сатурна была захвачена в спин-орбитальный резонанс, что привело к увеличению угла наклона Сатурна. (Угловой момент орбиты Нептуна в 10 4 раз больше скорости вращения Сатурна и, таким образом, доминирует во взаимодействии.)
Численное моделирование показало, что возможное образование векового резонанса перигелия между Меркурием и Юпитером ( g 1 = g 5 ) может значительно увеличить эксцентриситет Меркурия и, возможно, дестабилизировать внутреннюю часть Солнечной системы через несколько миллиардов лет.
В примере другого типа резонанса, включающего эксцентриситет орбиты, эксцентриситеты Ганимеда и Каллисто изменяются с общим периодом 181 год, хотя и с противоположными фазами.
Резонансы среднего движения в Солнечной системе
Простые целочисленные отношения между периодами скрывают более сложные отношения:
Другими словами, среднее движение Ио действительно вдвое больше, чем у Европы, с учетом прецессии перийова. Наблюдатель, сидящий на (дрейфующем) перийове, увидит, как луны соединяются в одном месте (удлинение). Другие пары, перечисленные выше, удовлетворяют тому же типу уравнения, за исключением резонанса Мимаса-Тетиса. В этом случае резонанс удовлетворяет уравнению
Точка соединения колеблется вокруг средней точки между узлами двух лун.
Лапласовский резонанс
Резонанс Лапласа с участием Ио – Европы – Ганимеда включает следующее соотношение, фиксирующее орбитальную фазу спутников:
Плютино-резонансы
Одним из следствий этих резонансов является то, что при пересечении Плутона орбиты Нептуна сохраняется разделение не менее 30 а.е. Минимальное расстояние между двумя телами в целом составляет 17 а.е., в то время как минимальное расстояние между Плутоном и Ураном составляет всего 11 а.е. ( подробное объяснение и графики см. В орбите Плутона ).
Наяда: резонанс Thalassa 73:69
21,5 земных суток. Две луны находятся на расстоянии около 3540 км друг от друга. Хотя их орбитальные радиусы различаются всего на 1850 км, Наяда колеблется на
2800 км выше или ниже орбитальной плоскости Таласса при самом близком сближении. Как обычно, этот резонанс стабилизирует орбиты за счет максимального разделения при соединении, но он необычен для роли, которую играет наклон орбиты в облегчении этого избегания в случае, когда эксцентриситет минимален.
Резонансы среднего движения между планетами вне Солнечной системы
22,5, что приводит к очень большим колебаниям времени прохождения
0,5 дня для самой внутренней планеты. На орбите около 1400 дней находится еще более массивная внешняя планета.
Совпадающие «близкие» отношения среднего движения
Присутствие близкого резонанса может отражать то, что идеальный резонанс существовал в прошлом, или что система эволюционирует в сторону такого резонанса в будущем.
Некоторые совпадения орбитальной частоты включают:
Возможные прошлые резонансы среднего движения
В то время как спутники Сатурна среднего размера Диона и Тетис сейчас не близки к точному резонансу, они, возможно, находились в резонансе 2: 3 в начале истории Солнечной системы. Это привело бы к эксцентриситету орбиты и приливному нагреву, который, возможно, достаточно нагрел внутренность Тетиса, чтобы сформировать подземный океан. Последующее замерзание океана после того, как луны покинули резонанс, возможно, вызвало напряжения растяжения, которые создали огромную систему грабенов Итака Хазма на Тетисе.
Резонансы среднего движения, которые, вероятно, когда-то существовали в системе Урана, включают (3: 5) Ариэль-Миранду, (1: 3) Умбриэль-Миранду, (3: 5) Умбриэль-Ариэль и (1: 4) Титанию-Ариэль. Доказательства таких прошлых резонансов включают относительно высокие эксцентриситет орбит внутренних спутников Урана и аномально высокое наклонение орбиты Миранды. Высокие эксцентриситеты орбиты в прошлом, связанные с резонансами (1: 3) Умбриэль-Миранда и (1: 4) Титания-Ариэль, могли привести к приливному нагреву внутренних частей Миранды и Ариэля, соответственно. Миранда, вероятно, вышла из своего резонанса с Умбриэлем через вторичный резонанс, и считается, что механизм этого побега объясняет, почему ее орбитальное наклонение более чем в 10 раз превышает наклонение орбиты других регулярных спутников Урана (см. Естественные спутники Урана ).
Как и в случае с Мирандой, нынешние наклоны лун Юпитера Амальтеи и Фивы считаются указанием на прошлое прохождение через резонансы 3: 1 и 4: 2 с Ио соответственно.
Орбитальный резонанс — гарантия стабильности в хаосе Вселенной
Большинству из нас движение планет кажется похожим на карусель в старом парке аттракционов — гдё всё крутится по неизменному кругу, снова и снова. Однако благодаря последним достижениям в области астрономии учёные разглядели сотни звёздных систем, и стало понятно, что эти космические образования гораздо более динамичны, чем мы считаем. Небесные тела движутся по орбитам, где они физически не могли сформироваться, просторы Вселенной бороздят планеты-сироты, выброшенные из своих систем за ненадобностью… Но среди всех этих катаклизмов и хаоса существуют и островки стабильности. Здесь планеты и другие крупные объекты синхронизируют свои орбиты друг с другом, стабилизируют их, и бесконечно долго вращаются — как механизм, безупречно налаженный гениальным математиком. Эти небесные тела остаются стабильными, несмотря на абсолютную непредсказуемость того, что происходит вокруг них.
Гравитации в космосе
Планеты и другие космические объекты постоянно испытывают воздействие чьей-то гравитации. Это значит, что ни один орбитальный оборот того или иного небесного тела не похож на предыдущий или последующий. Даже не очень сильный гравитационный толчок или рывок может привести к непредсказуемым последствиям — сдвинуть планету с орбиты, направить на курс столкновения с другим объектом или еще куда-нибудь. И, тем не менее, во всей нашей галактике небесные тела находят себе относительно безопасные шаблоны движения — с помощью так называемого орбитального резонанса.
Графическое представление гравитации
Если два объекта находятся в резонансе, это означает, что их орбиты представляют собой соотношение двух небольших натуральных чисел. Например, один объект совершает два оборота вокруг звезды, когда второй делает три. Когда образуется такой шаблон движения, гравитационное взаимодействие удерживает их на стабильной орбите. Таким образом они защищаются от дальнейшей миграции и спокойнее переживают встречи с другими объектами. Резонанс также может препятствовать сближению и столкновению планет. Возможно, именно благодаря этому явлению у нас до сих пор есть Плутон. Его орбита пересекается с орбитой Нептуна, но эти планеты не сталкиваются, потому что находятся в резонансе. Плутон совершает два оборота вокруг Солнца за то время, что Нептун — три. Эти объекты, связанные друг с другом гравитацией, защищают друг друга от возможных неприятностей.
Резонансы
Резонансы могут формироваться только в изначально динамичных системах, то есть таких, в начале жизни которых планеты двигались по направлению друг к другу. Сблизившись, два объекта начинают «подталкивать» друг друга, когда оказываются в определенной точке на орбите.
Это можно сравнить с раскачивающимся на качелях ребёнком. Если его немного подталкивать всякий раз, когда качели находятся в верхней точке описываемой дуги, малыш будет взлетать на одну и ту же высоту. Приблизительно то же происходит с этими двумя небесными телами. Если объект получает толчок, который совпадает с частотой его орбиты, он синхронизирует своё движение с этим воздействием и «застревает» на этой частоте. Оба объекта продолжают устойчиво вращаться вокруг звезды или планеты, периодически воздействуя друг на друга. Надо отметить, что орбитальный резонанс может быть и причиной нестабильности.
Например, в планетарных кольцах резонансные системы иногда накладываются друг на друга, вызывая изменение привычных траекторий находящихся здесь объектов. Несмотря на эту свою двуликость, резонанс, как видится сегодня, играет немаловажную роль в формировании устойчивых звёздных систем. Наша, например, полна такими отношениями. Ио, Европа и Ганимед находятся в резонансе. Им объясняется и структура колец Сатурна.
Приблизительно треть экзопланет, обнаруженных в глубинах космоса, также состоят в подобных отношениях. Наверное, важнейшее из того, что нам показывает это явление, заключается в понимании, что звездные системы сами по себе не являются чем-то крайне устойчивым. Планеты, их спутники, астероиды — всё они являются потенциальными «мигрантами». Мало что формируется в одном месте, и остаётся в нём навсегда.
Орбитальный резонанс
Орбитальный резонанс в небесной механике — это ситуация, при которой два (или более) небесных тела имеют периоды обращения, которые относятся как небольшие натуральные числа. В результате эти тела периодически сближаются, находясь в определённых точках своих орбит. Возникающие вследствие этого регулярные изменения силы гравитационного взаимодействия этих тел могут стабилизировать их орбиты.
В некоторых случаях резонансные явления вызывают неустойчивость некоторых орбит. Так, щели Кирквуда в поясе астероидов объясняются резонансами с Юпитером; деление Кассини в кольцах Сатурна объясняются резонансом со спутником Сатурна Мимасом.
Содержание
Примеры
Спин-орбитальный резонанс
Близким явлением является спин-орбитальный резонанс, когда синхронизируется орбитальное движение небесного тела и его вращение вокруг своей оси:
См. также
Ссылки
 Небесная механика | |
|---|---|
| Законы и задачи | Законы Ньютона • Закон всемирного тяготения • Законы Кеплера • Задача двух тел • Задача трёх тел • Гравитационная задача N тел • Задача Бертрана • Уравнение Кеплера |
| Небесная сфера | Система небесных координат: галактическая • горизонтальная • первая экваториальная • вторая экваториальная • эклиптическая • Международная небесная система координат • Сферическая система координат • Ось мира • Небесный экватор • Прямое восхождение • Склонение • Эклиптика • Равноденствие • Солнцестояние • Фундаментальная плоскость |
| Параметры орбит | Кеплеровы элементы орбиты: эксцентриситет • большая полуось • средняя аномалия • долгота восходящего узла • аргумент перицентра • Апоцентр и перицентр • Орбитальная скорость • Узел орбиты • Эпоха |
| Движение небесных тел | Движение Солнца и планет по небесной сфере • Эфемериды Конфигурации планет: противостояние • квадратура • парад планет • Кульминация • Сидерический период • Орбитальный резонанс • Период вращения • Предварение равноденствий • Синодический период • Сближение Затмение: солнечное затмение • лунное затмение • сарос • Метонов цикл • Покрытие • Прохождение • Либрация • Элонгация • Эффект Козаи • Эффект Ярковского • Эффект Джанибекова |
| Астродинамика | |
| Космический полёт | Космическая скорость: первая (круговая) • вторая (параболическая) • третья • четвёртая Формула Циолковского • Гравитационный манёвр • Гомановская траектория • Метод оскулирующих элементов • Приливное ускорение • Изменение наклонения орбиты • Стыковка • Точки Лагранжа • Эффект «Пионера» |
| Орбиты КА | Геостационарная орбита • Гелиоцентрическая орбита • Геосинхронная орбита • Геоцентрическая орбита • Геопереходная орбита • Низкая опорная орбита • Полярная орбита • Тундра-орбита • Солнечно-синхронная орбита • Молния-орбита • Оскулирующая орбита |
Полезное
Смотреть что такое «Орбитальный резонанс» в других словарях:
Резонанс — Эффект резонанса для разных частот внешнего воздействия и коэффициентов затухания Резонанс (фр. resonance, от лат. r … Википедия
Формирование и эволюция Солнечной системы — Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном … Википедия
Происхождение и эволюция Миранды — Миранда в натуральном цвете Происхождение и эволюция Миранды, одного из спутников Урана, полны интересными геологическими событиями[1] … Википедия
Аурелия и Голубая луна — (англ. Aurelia and Blue Moon) гипотетические примеры планеты и луны, на которых могла бы возникнуть внеземная жизнь. Этот проект явился результатом плодотворного сотрудничества телекомпании Blue Wave Productions Ltd. и группы американских и… … Википедия
Миранда (спутник) — У этого термина существуют и другие значения, см. Миранда. Миранда … Википедия
Ганимед (спутник) — Ганимед Изоб … Википедия
Щели Кирквуда — … Википедия
Пояс астероидов — Схема расположения пояса астероидов в Солнечной системe … Википедия
(84522) 2002 TC302 — 2002 ТС302 … Википедия
Kepler-9 — Координаты: 19ч 2м 17.756с, +38° 24′ 3.18″ … Википедия
Что такое гравитационные волны?
Гравитационные волны не только представляют собой окончательное подтверждение общей теории относительности, они предоставят нам новый способ увидеть космос. Но что это за рябь в пространстве-времени и откуда они берутся?
Это событие стало революционным по двум направлениям: во-первых, оно успешно подтвердило предсказание, сделанное в общей теории относительности Альберта Эйнштейна почти за столетие до этого. Предсказание о том, что указанные события, происходящие во Вселенной, не только искривляют пространство-время, но в некоторых случаях действительно могут вызывать рябь в этой космической ткани.
Таким образом, открытие гравитационных волн действительно открыло совершенно новое окно в космос, но что такое гравитационные волны, что они говорят об объектах, которые их создают, и как мы обнаруживаем такие крошечные колебания в самой реальности?
Гравитационные волны: Основы
Теоретические основы
Представьте, что вы сидите на берегу озера, спокойно наблюдая за безмятежной поверхностью воды, ненарушаемой ни природой, ни ветром, ни даже малейшим дуновением ветерка. Вдруг мимо пробегает маленький ребенок и бросает камешек в озеро. Спокойствие на мгновение нарушается. Но, даже когда спокойствие возвращается, вы наблюдаете, как рябь распространяется от центра озера, уменьшаясь по мере того, как они достигают берегов, часто расходясь или отражаясь обратно, когда они сталкиваются с препятствием.
И Пуанкаре, и Эйнштейн видели возможность распространения гравитационных волн в пространстве-времени со скоростью света
Гравитационные волны были впервые предсказаны Анри Пуанкаре в 1905 году как возмущения в ткани пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света, но потребовалось еще десять лет, чтобы эта концепция действительно была воспринята физиками. Это произошло, когда Альберт Эйнштейн предсказал то же явление как часть своей революционной геометрической теории гравитации 1916 года, более известной как общая теория относительности.
Хотя эта теория наиболее известна тем, что предполагала, что объекты с массой будут вызывать искривление пространства-времени, она также пошла дальше, предположив, что ускоряющийся объект должен изменить эту кривизну и вызвать пульсацию в пространстве-времени. Такие нарушения в пространстве-времени были бы недопустимы при ньютоновском представлении о гравитации, которое рассматривало ткань пространства и времени как отдельные сущности, на которых просто разыгрываются события Вселенной.
Но на динамичной и изменчивой стадии единого пространства-времени Эйнштейна такие колебания были допустимы.
Гравитационные волны возникли из возможности найти волнообразное решение тензорных уравнений, лежащих в основе общей теории относительности. Эйнштейн считал, что гравитационные волны должны массово генерироваться при взаимодействии массивных тел, таких как двойные системы сверхплотных нейтронных звезд и сливающиеся черные дыры.
На самом деле такая рябь в пространстве-времени должна создаваться любыми ускоряющимися объектами, но связанные с Землей ускоряющиеся объекты вызывают возмущения, которые слишком малы, чтобы их можно было обнаружить. Вот почему наши исследования должны быть обращены к областям космоса, где природа предоставляет нам гораздо более массивные объекты.
Поскольку эти пульсации распространяются от своего источника во всех направлениях со скоростью света, они несут информацию о событии или объекте, который их создал. Но не только это, гравитационные волны могут многое рассказать нам о природе самого пространства-времени.
Откуда берутся гравитационные волны?
Существует ряд событий, которые могут запустить гравитационные волны, достаточно мощные для того, чтобы мы могли обнаружить их с помощью невероятно точного оборудования здесь, на Земле. Эти события являются одними из самых мощных и бурных, какие только может предложить Вселенная. Например, самые сильные волнения в пространстве-времени, вероятно, вызваны столкновением черных дыр.
Другие столкновения связаны с производством сильных гравитационных волн; например, слияние черной дыры и нейтронной звезды или столкновение двух нейтронных звезд друг с другом.
Моделирование гравитационных волн, излучаемых двойным пульсаром, состоящим из двух нейтронных звезд.
Теория Эйнштейна предполагает, что подобная система должна терять энергию за счет излучения гравитационных волн. Это означает, что орбитальный период системы должен уменьшаться вполне предсказуемым образом.
Звезды сближаются, поскольку в системе остается меньше энергии для сопротивления их взаимному гравитационному притяжению, и в результате скорость их орбиты увеличивается, а значит, импульсы радиоволн излучаются через более короткие промежутки времени. Это означает, что время, необходимое для того, чтобы радиоволна оказалась непосредственно перед нашей линией видимости, уменьшится, что мы можем измерить.
Именно это и наблюдалось в системе Халса-Тейлора (PSR B1913±16), открытой в 1974 году и состоящей из двух быстро вращающихся нейтронных звезд. Это наблюдение принесло Расселу А. Халсу и Джозефу Х. Тейлору-младшему из Принстонского университета Нобелевскую премию по физике 1993 года. Нобелевский комитет объяснил это следующим образом: «за открытие нового типа пульсара, открытие, которое открыло новые возможности для изучения гравитации«.
Хотя это, безусловно, впечатляющее и важное научное достижение, это все же было лишь косвенным доказательством существования гравитационных волн. В то время как предсказанный Эйнштейном эффект укорочения вращения пульсара определенно присутствовал, это не было фактическим прямым обнаружением.
Несмотря на то, что Эйнштейн не был свидетелем этого выдающегося достижения, он предсказал, что это единственный способ получить хоть какой-то намек на гравитационные волны. Великий физик считал, что эти пространственно-временные пульсации будут настолько слабыми, что их невозможно будет обнаружить никакими технологическими средствами, которые только можно было представить в то время.
К счастью, Эйнштейн ошибался.
Как обнаружить гравитационные волны?
Но не любой лазерный интерферометр подойдет. Физикам понадобится интерферометр настолько большой, что он станет настоящим достижением инженерной мысли. На помощь приходит лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO).
Схема, показывающая принцип работы LIGO.
Детектор LIGO использует два лазерных излучателя, расположенных в обсерваториях Хэнфорд и Ливингстон, которые разделены тысячами километров и образуют невероятно чувствительный интерферометр. От этих излучателей лазеры направляются вниз по «рукавам» интерферометра, которые на самом деле являются вакуумными камерами длиной 4 км.
В результате получилась настолько чувствительная система, что она может измерить отклонение в пространстве-времени размером в 1/10 000 размера атомного ядра. В астрономическом контексте это эквивалентно наблюдению звезды на расстоянии 4,2 световых лет и определению ее местоположения с точностью до ширины человеческого волоса! Это самое маленькое измерение, которое когда-либо практически пытались провести в каком-либо научном эксперименте.
И в 2015 году эта кропотливая работа окупилась.
Сигнал, названный GW150914, стал не только первым наблюдением гравитационных волн, но и первым случаем, когда человечество «увидело» двойную систему черных дыр со звездной массой, доказав, что такие слияния могут существовать в современную эпоху Вселенной.
Различные виды гравитационных волн
С момента первого обнаружения гравитационных волн исследователи сделали ряд важных и откровенных открытий. Они позволили ученым классифицировать различные типы гравитационных волн и объекты, которые могут их порождать.
Непрерывные гравитационные волны
Считается, что одиночный вращающийся массивный объект, такой как нейтронная звезда, может вызывать непрерывный сигнал гравитационных волн в результате несовершенства сферической формы этой звезды. Если скорость вращения остается постоянной, то и гравитационные волны, которые она излучает, будут постоянно одинаковой частоты и амплитуды, подобно тому, как певец держит одну ноту. Исследователи создали симуляцию того, как будет звучать приходящая непрерывная гравитационная волна, если сигнал, обнаруженный LIGO, преобразовать в звук.
Звук непрерывной гравитационной волны, подобной той, которую производит нейтронная звезда, можно услышать ниже.
Компактные бинарные спиральные гравитационные волны
Все сигналы, обнаруженные LIGO до сих пор, подпадают под эту категорию как гравитационные волны, создаваемые парами массивных вращающихся объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды.
Эти источники подразделяются на три отдельные подкатегории:
«Стрекот» возможного слияния нейтронных звезд был переведен в звуковые волны, которые можно услышать ниже.
Стохастические гравитационные волны
Небольшие гравитационные волны, которые даже LIGO не в состоянии точно определить, могут проходить над Землей со всех сторон в любое время. Эти волны известны как стохастические гравитационные волны из-за их случайного характера. По крайней мере, часть этого стохастического сигнала, вероятно, возникла во время Большого взрыва.
Если нам удастся обнаружить этот сигнал, он позволит нам «заглянуть» дальше в историю Вселенной, чем любой электромагнитный сигнал, вплоть до эпохи, когда фотоны еще не могли свободно перемещаться в пространстве.
Смоделированный звук этого стохастического сигнала можно услышать ниже.
Новая эра астрономии
GW150914 точно соответствует предсказаниям общей теории относительности, подтверждая самую революционную теорию Эйнштейна почти ровно через шесть десятилетий после его смерти в 1955 году. Это не означает, что гравитационные волны больше не учат нас о Вселенной. На самом деле, эти пульсации в пространстве дали нам совершенно новый взгляд на космос.
До открытия гравитационных волн астрономы ограничивались представлением о Вселенной, окрашенной электромагнитным излучением, и поэтому наши наблюдения ограничивались только этим спектром.
Однако, несмотря на успехи, которые традиционная астрономия позволила нам сделать в понимании космоса, использование электромагнитного излучения сильно ограничено. Оно не позволяет нам непосредственно «увидеть» черные дыры, из которых свет не может выйти. Оно также не позволяет нам увидеть небарионовую, несветящуюся темную материю, преобладающую форму материи в галактиках, составляющую около 85% от общей массы Вселенной. Термин «несветящаяся» означает, что темная материя не взаимодействует с электромагнитным спектром, она не поглощает и не излучает свет. Это означает, что наблюдения только в электромагнитном спектре никогда не позволят нам увидеть большую часть материи во Вселенной.
Очевидно, что это проблема. Но ее можно избежать, используя спектр гравитационных волн, поскольку и черные дыры, и темная материя обладают значительным гравитационным эффектом.
Гравитационные волны также имеют еще одно значительное преимущество перед электромагнитным излучением.
Эта новая форма астрономии измеряет амплитуду бегущей волны, в то время как астрономия электромагнитных волн измеряет энергию волны, которая пропорциональна квадрату амплитуды волны.
Поэтому яркость объекта в традиционной астрономии определяется как 1/расстояние², в то время как «гравитационная яркость» уменьшается всего на 1/расстояние. Это означает, что видимость звезд сохраняется в гравитационных волнах на гораздо большем расстоянии, чем тот же фактор сохраняется в электромагнитном спектре.