Ғарыштағы тартылыс күші туралы қызықты мәліметтер

Табиғат күштерінің ішінде тартылыс күші – ең танысы және сонымен бірге ең жұмбағы. Әрбір адам оны өмірінің алғашқы сәтінен бастап сезінеді, дегенмен тіпті заманауи физика да оның іргелі деңгейде не екені туралы толық жауап бере алмайды. Ғарыш кеңістігінде бұл күш планета бетіндегідей емес, мүлдем басқаша көрінеді – ол галактикаларды қалыптастырады, жұлдыздарды ұстап тұрады және тіпті кеңістік пен уақыттың өзін иіре алады. Ғарыштағы тартылыс күшін зерттеу әлемнің құрылымы туралы түсініктерді түбегейлі өзгертті және ғалымдарға әлі күнге дейін кәдімгі санаттарға сыймайтын жаңалықтар ұсынуда. Бұл мақалада біз сіздерге ғарыштағы тартылыс күші туралы 30 қызықты әрі танымдық фактіні ұсынамыз.

1. Тартылыс күші – табиғаттың төрт іргелі күшінің ішінде кез келген қашықтықта шектеусіз әрекет ететін жалғыз күш. Электромагнетизм, күшті және әлсіз ядролық өзара әрекеттесулер салыстырмалы түрде аз қашықтықтарда әлсірейді, ал екі объект арасындағы тартылыс олардың арақашықтығына қарамастан сақталады – жай ғана біртіндеп әлсірей береді. Дәл осы қасиет жұлдыздарға миллиардтаған шақырым қашықтықтағы планеталарды басқаруға, ал галактикаларға миллиардтаған жұлдыздарды өз құшағында ұстап тұруға мүмкіндік береді.
2. Ашық ғарышта тартылыс күші жоғалмайды – ол барлық жерде бар, жай ғана оның көздері өте алыс болуы мүмкін. Орбиталық станция бортындағы ғарышкерлер сезінетін салмақсыздық күйі тартылыстың жоқтығын білдірмейді – Жер станцияны бетіндегідей дерлік күшпен тартады. Салмақсыздық станция планетаның айналасында үздіксіз еркін құлау жағдайында болғандықтан пайда болады, ал оның ішіндегі барлық заттар онымен бірге бірдей үдеумен құлайды.
3. Альберт Эйнштейннің 1915 жылы жарияланған жалпы салыстырмалылық теориясы тартылыс күшін Ньютонның түсіндіруінен мүлдем басқаша сипаттайды. Эйнштейн бойынша, массивті денелер бір-бірін жай ғана тартпайды – олар өз айналасындағы кеңістік-уақыттың өзін иіреді, ал басқа объектілер осы иілген кеңістіктегі ең қысқа жолдар бойымен қозғалады. Жер Айды өзіне көрінбейтін жіппен тартпайды – Ай біздің планетамыздың массасы иілген қисық бойымен қозғалады.
4. Гравитациялық тартылыс жарық жылдамдығымен таралады – бұл салыстырмалылық теориясының ең маңызды салдарының бірі. Егер Күн кенеттен жоғалып кетсе, Жер бұрынғы орбитасы бойынша шамамен сегіз минут бойы қозғала берер еді – дәл жарық біздің жұлдызымыздан Жерге дейін жету үшін қажет уақыт. Тек осы мерзім аяқталғаннан кейін ғана планета тартылыстың жоқтығын «сезініп», түзу сызық бойымен қозғала бастар еді.
5. Гравитациялық толқындар – массивті денелердің үдемелі қозғалысынан туындайтын кеңістік-уақыттағы «толқындар» – Эйнштейн тарапынан 1916 жылы болжанғанымен, тікелей тек 2015 жылы ғана анықталды. Детекторлар Жерден шамамен 1,3 миллиард жарық жылы қашықтықта екі қара құрдымның бірігуінен туындаған бұзылысты тіркеді. Бұл «толқынның» амплитудасы бізде протон өлшемінен де кіші болды – дегенмен құрылғылар оны тіркей алды.
6. Қара құрдымдар Ғаламдағы тартылыс күшінің ең экстремалды көрінісі болып табылады. Заманауи модельдер бойынша, олардың орталығында заттың тығыздығы шексіз болады, ал кеңістік-уақыт соншалықты иіледі, тіпті жарық та оқиға көкжиегінен шыға алмайды. Бұл қайтарылмайтын нүктенің шекарасы оқиға көкжиегі деп аталады және ол қатты бетпен емес, кеңістіктің геометриясымен анықталады.
7. Қара құрдымның жанында уақыт одан алыстағыға қарағанда баяу өтеді – бұл құбылыс гравитациялық уақыттың баяулауы деп аталады. Оқиға көкжиегінің жанында «ілініп тұрған» бақылаушы алыстағы бақылаушы үшін іс жүзінде қатып қалғандай көрінер еді. Бұл әсер – фантастика емес, өлшенген шындық: жаһандық навигациялық жүйелердің серіктері гравитациялық және жылдамдыққа байланысты уақыттың баяулауына түзетулер енгізуді талап етеді, әйтпесе позициялау қатесі тәулігіне бірнеше шақырым жылдамдықпен жинақталар еді.
8. Тасқын күштері – массивті объектіге жақын жағы алыс жағына қарағанда күштірек тартылатындықтан пайда болатын гравитациялық әсердің бір түрі. Дәл Айдың тасқын күштері Жерде мұхит тасқындарын тудырады. Қара құрдымдар немесе нейтрон жұлдыздарының маңайында бұл әсер бірнеше есе күшейеді – мұндай объектіге жақындаған дене тартылыс сызығы бойымен созылып, көлденеңінен сығылады; астрофизиктер бұл процесті «спагеттификация» деп атайды.
9. Айдың тасқын күштері Жердің айналуын біртіндеп баяулатады – әрбір жүз жылда Жер тәулігі шамамен 1,4 миллисекундқа ұзарады. Сонымен қатар, біздің планетамыз бұрыштық жылдамдықтың бір бөлігін серігіне береді, соның салдарынан Ай бізден баяу алыстап барады. Миллиардтаған жылдар бұрын Ай әлдеқайда жақын орналасқан, тәуліктер шамамен алты сағатқа созылған, ал тасқындар орасан зор биіктікке жеткен.
10. Нейтрон жұлдыздары соншалықты қуатты тартылысқа ие, олардың беткі тартылысы Жердікінен жүз миллиард есе асып түседі. Мұндай жұлдыздың бетіне бір метр биіктіктен құлаған объект оған сағатына шамамен екі миллион шақырым жылдамдықпен жетер еді. Сонымен қатар, нейтрон жұлдызының бетінің өзі – нейтрондардан тұратын қатты қабық – физикаға белгілі кез келген заттан берік.
11. Күн жүйесінің әртүрлі планеталарындағы тартылыс күші Жердікінен айтарлықтай ерекшеленеді. Марста адам өз салмағының шамамен 38 пайызын ғана сезінер еді және үш есе биікке секіре алар еді. Керісінше, Юпитерде тартылыс біздікінен шамамен 2,5 есе күшті – салмағы 80 килограмм адам онда шамамен 200 килограмм «салмақ тартар» еді және әрең қозғалар еді.
12. Тартылыс күші жұлдыздарды диффузды газ-шаң бұлттарынан қалыптастырады – бұл процесс миллиондаған жылдарды алады. Өз тартылысының әсерінен бұлт сығылады, орталығы қызады және соңында ядролық синтез басталатын температураға жетеді. Тартылыс болмаса, жұлдыздар жанбайтын еді, демек, жылу да, тіршіліктің пайда болуы үшін қажетті ауыр элементтер де болмас еді.
13. Гравитациялық линзалау – жарықтың массивті объектілердің жанында ауытқуы – астрономдарға басқаша бақылауға қол жетпейтін алыс галактикаларды зерттеуге мүмкіндік береді. Жарық сәулесінің жолындағы массивті дене үлкейткіш әйнек сияқты жұмыс істеп, артындағы көздің кескінін бірнеше есе күшейтіп, бұзады. Бұл әсер алғаш рет 1919 жылғы Күн тұтылуы кезінде байқалып, жалпы салыстырмалылық теориясының тікелей расталуы болды.
14. Қараңғы материя – көрінбейтін және әлі күнге дейін анықталмаған зат – өзінің көрінетін материяға гравитациялық әсері арқылы ғана байқалады. Галактикалардың айналу жылдамдықтары көрінетін массаға негізделген есептеулерге сәйкес келмейді – галактикалық дисктердің сыртқы бөліктері кәдімгі жұлдыздар мен газдың тартылыс күшімен ұсталып тұру үшін тым жылдам айналады. Ғалымдар қараңғы материя деп атайтын көрінбейтін құрамдас бөлік, заманауи бағалаулар бойынша, Ғаламның барлық мазмұнының шамамен 27 пайызын құрайды.
15. Лагранж нүктелері – екі ірі дененің жүйесіндегі олардың жиынтық тартылысы центрифугалық күштермен теңесетін ерекше позициялар – ғарыш аппараттарын орналастыру үшін белсенді түрде қолданылады. Джеймс Уэбб телескопы Жер–Күн жүйесінің Лагранж нүктесінде орналасқан, ол орбитаны ұстап тұру үшін отын жұмсамай, бақылау үшін тұрақты жағдайлар алады. Мұндай нүктелер екі дененің әрбір жүйесінде бесеу болады.
16. 1998 жылы ашылған Ғаламның үдемелі кеңеюі бірнеше жүз миллион жарық жылынан асатын ауқымдарда гравитациялық сығылуға қарсы тұрады. Кеңеюдің себебі қараңғы энергия – ғаламның барлық энергетикалық бюджетінің шамамен 68 пайызын алатын жұмбақ құрамдас бөлік деп саналады. Ал кішігірім ауқымдарда – галактикалар мен олардың шоғырлары ішінде – тартылыс күші толық үстемдік етеді және құрылымдарды бірге ұстап тұра алады.
17. Тасқындық тұтқылау – серіктің уақыт өте келе планетамен синхронды айналу режиміне өту құбылысы – гравитациялық тежелумен түсіндіріледі. Ай дәл осы себептен Жерге әрқашан бір жағымен қарап тұрады. Ұқсас картина басқа планеталардың серіктерінде және тіпті қос жұлдыз жүйелерінде байқалады, онда екі компонент те бір-бірімен тасқындық тұтқылауда болуы мүмкін.
18. Тартылыс күші денелердің қозғалысына ғана емес, электромагниттік сәулеленудің таралуына да әсер етеді. Терең гравитациялық өрістен шығатын жарық энергиясын жоғалтып, спектрдің қызыл ұшына қарай ығысады – бұл гравитациялық қызыл ығысу деп аталады. Кері әсер – көк ығысу – жарық гравитациялық шұңқырға құлап, энергия алған кезде орын алады.
19. Кванттық физика мен жалпы салыстырмалылық теориясы тартылыс күшін іргелі түрде үйлеспейтін тәсілдермен сипаттайды – және бұл заманауи физиканың шешілмеген негізгі мәселелерінің бірі. Кеңістік-уақыттың үлкен ауқымдарында салыстырмалылық теориясы керемет жұмыс істейді, дегенмен элементар бөлшектер деңгейінде ол кванттық механикамен қайшылыққа түседі. Біртұтас теорияны – так называемую кванттық гравитацияны – жасау біздің заманымыздың ең маңызды ғылыми шақыруларының бірі болып қала береді.
20. Гравитациялық маневр – ғарыш аппаратының отын жұмсамай жылдамдығы мен ұшу бағытын өзгерту үшін планетаның тартылысын пайдаланатын әдісі – планетааралық миссиялардың көпшілігінде қолданылады. «Вояджер» сериясының аппараттары Күн жүйесінің шегінен шығу үшін жеткілікті жылдамдыққа жету мақсатында Юпитер мен Сатурн маңында тізбекті гравитациялық маневрлерді пайдаланды. Бұл әдіссіз мұндай экспедициялар заманауи зымырандардың мүмкіндіктерімен салыстыруға келмейтін отын мөлшерін талап етер еді.
21. Пульсарлар – қатаң периодты сәулелену импульстарын шығаратын жылдам айналатын нейтрон жұлдыздары – ғалымдар тарапынан таңқаларлық дәлдіктегі табиғи сағаттар ретінде пайдаланылады. Дәл пульсарлардың қос жүйелердегі периодтарындағы ауытқуларды өлшеу 1970-жылдары – оларды тікелей анықтаудан төрт онжылдық бұрын – гравитациялық толқындардың бар екенін жанама түрде растауға мүмкіндік берді. Бұл ашылым 1993 жылы физика бойынша Нобель сыйлығына ие болды.
22. Күн бетіндегі тартылыс күші Жердікінен шамамен 28 есе асып түседі. Егер адам оның бетінде тұра алса, оның денесінің әрбір килограммы 28 килограмм «салмақ тартар» еді – қолын көтеру іс жүзінде мүмкін болмас еді. Тәжірибеде мұндай сапар басқа да көптеген себептерге байланысты мүмкін емес, дегенмен дәл гравитациялық қысым Күн затының ғарышта шашырап кетуінен сақтайды.
23. Тартылыс күші жұлдыздардың қайтыс болғаннан кейінгі тағдырын басқарады. Біздің Күніміз сияқты аз массивті жұлдыздар жолын Жер көлеміндегі тығыз денелер – ақ ергежейлілер ретінде аяқтайды. Салмағы ауырақ жұлдыздар нейтрон жұлдыздарына сығылады, ал жеткілікті масса кезінде тартылыс күші барлық қарсы күштерді жеңіп, ядроны шексіз тығыздықтағы нүктеге – сингулярлыққа сығады.
24. Жылдам айналатын қара құрдымның жанында кеңістік массивті дененің айналуымен іс жүзінде «сүйреледі» – бұл әсер инерциялық санақ жүйелерінің тұтқылануы немесе Лензе–Тирринг эффектісі деп аталады. Бұл кеңістік-уақыттың мұндай объектінің жанында воронкаға ағып түсетін су сияқты бұралатынын білдіреді. Бұл теориялық болжамдалған әсер Жер маңындағы серіктік өлшеулер арқылы расталды – біздің планетамызда ол өте аз, дегенмен заманауи құрылғылармен тіркеледі.
25. Жердің гравитациялық өрісі біркелкі емес – ол беткі әртүрлі нүктелерде астыңғы жыныстардың құрамы мен тығыздығына байланысты сәл өзгешеленеді. GRACE сериясының серіктері және олардың мұрагерлері бұл ауытқуларды жоғары дәлдікпен картаға түсіреді, бұл мұздықтардың еруін, жер асты суларының деңгейінің өзгеруін және тектоникалық плиталардың қозғалысын бақылауға мүмкіндік береді. Осылайша, гравитациялық карталар бір мезгілде климатология мен геологияның құралына айналды.
26. Егер Жердің массасын шамамен 9 миллиметр радиусқа дейін сығуға болса, ол қара құрдымға айналар еді – дәл осы өлшем оның Шварцшильдтің гравитациялық радиусына сәйкес келеді. Бұл өздігінен Айға және сыртта орналасқан басқа денелерге гравитациялық әсерді өзгертпес еді – олар бұрынғы орбиталары бойынша қозғала берер еді. Өзгеретіні – осы радиус ішіндегі жарық пен заттың сыртқа шыға алмайтыны ғана болар еді.
27. Тартылыс күші Ғаламның ірі ауқымды құрылымының қалыптасуында шешуші рөл атқарды. Ерте Ғаламдағы тығыздықтың өте аз ауытқулары тартылыс әсерінен күшейіп, алдымен газ бұлттарын, содан кейін алғашқы жұлдыздарды, галактикаларды және олардың шоғырларын тудырды. Қазіргі ғаламның ірі ауқымды құрылымын құрайтын жіптер, қабырғалар мен бос орындардан тұратын тор – миллиардтаған жылдар бойы гравитациялық мүсіндеудің тікелей нәтижесі.
28. Көптеген галактикалардың орталықтарында жасырынған аса массивті қара құрдымдардың массасы миллиондағаннан миллиардтаған Күн массасына дейін жетеді. Біздің Сүт жолы галактикасының орталығындағы қара құрдым – Мерген А* – шамамен 4 миллион Күн массасына ие және бізден шамамен 26 000 жарық жылы қашықтықта орналасқан. Осы объектінің жанындағы жұлдыздар орбиталарын бақылау оның массасын жоғары дәлдікпен өлшеуге мүмкіндік берді және 2020 жылғы Нобель сыйлығымен расталды.
29. Юпитердің тасқындық тартылысы оның Ио серігінің ішкі бөліктерін соншалықты қарқынды қыздырады, ол Күн жүйесіндегі ең жанартаулық белсенді денеге айналды. Ішкі үйкеліс күштері, ішкі бөліктердің деформациясы кезінде пайда болатын, жылуға айналып, жұқа қабықтың астында сұйық магманы ұстап тұрады. Тасқындық қыздырудың ұқсас механизмі Еуропаның мұзды қабығының астындағы сұйық мұхитты ұстап тұрып, бұл серікті жерден тыс тіршілікті іздеудің ең ықтимал орындарының бірі етеді.
30. Қара құрдымдардағы ақпарат парадоксы – теориялық физиканың ең өткір шешілмеген сұрақтарының бірі – тікелей тартылыс күшінің табиғатымен байланысты. Классикалық салыстырмалылық теориясы бойынша, қара құрдым жұтқан объектілер туралы ақпарат қайтарылмай жоғалады. Кванттық механика, керісінше, ақпаратты жоюға тыйым салады – және бұл қайшылықты қалай шешу керектігін ғалымдар әлі білмейді.

Ғарыштағы тартылыс күші – оқулықтардағы абстрактілі күш емес, Ғаламның тірі мүсіншісі, көршілес серіктің траекториясынан бастап бақыланатын ғаламның шетіндегі галактикалардың тағдырына дейін барлығын қалыптастырады. Физика оның табиғатына неғұрлым тереңірек еніп сайын, кәдімгі күнделікті күштің артында қарапайым түсіндіруге сыймайтын құбылыстар жасырынғаны анықтала түседі. Алдағы онжылдықтардың ашылымдары – тартылыс күшінің кванттық әсерлерін тікелей бақылау, қара құрдымдарды егжей-тегжейлі картаға түсіру, қараңғы энергияның табиғатын түсіну – қазіргі түсініктерді дәл бір ғасыр бұрын салыстырмалылық теориясы жасағандай түбегейлі өзгертуі мүмкін. Тартылыс күші, мүмкін, физикалық әлем бейнесінің ең түсінікті және сонымен бірге ең сарқылмас жұмбағы болып қала береді.