Текст книги "Вселенная в вопросах и ответах"

5.11. Созвездия на Фобосе

Вновь читаем повесть Стругацких «Страна багровых туч». Часть 1, «Седьмой полигон», глава «На пороге». Бывалый космонавт делится мыслями с начинающим:

Я очень люблю Землю. Очень! Ты, наверное, думаешь, что все межпланетники – убежденные небожители. Неверно. Мы все очень любим Землю и тоскуем по голубому небу. Это наша болезнь – тоска по голубому небу. Сидишь где-нибудь на Фобосе. Небо бездонное, черное. Звезды, как алмазные иглы, глаза колют. Созвездия кажутся дикими, незнакомыми. И все вокруг искусственное: воздух искусственный, тепло искусственное, даже вес твой – и тот искусственный…

Вопрос: почему находящемуся на Фобосе межпланетнику созвездия кажутся незнакомыми?

5.12. Венера

Возвращаемся к повести Стругацких «Страна багровых туч» (1959). Часть 1, «Седьмой полигон», глава «Экипаж “Хиуса”». Герой повести инженер Быков знакомится с целью экспедиции:

Венера – вторая по порядку от Солнца планета. Среднее расстояние от Солнца 0,723 астрономической единицы = 108 млн км… Полный оборот вокруг Солнца В. совершает в 224 дня 16 часов 49 мин. 8 сек. Средняя скорость движения по орбите 35 км/сек… В. – самая близкая к нам планета. При прохождении между Землей и Солнцем ее расстояние от Земли может составлять 39 млн км… Когда В. проходит за Солнцем, она находится от Земли на удалении в 258 млн км… Диаметр В. составляет 12 400 км, сжатие незаметно. Принимая данные для Земли за 1, для В. будем иметь: диаметр 0,973, площадь поверхности 0,95, объем 0,92, сила тяжести на поверхности 0,85, плотность 0,88 (или 4,86 г/см³), масса 0,81. Период вращения вокруг оси составляет около 57 часов… В. окружена чрезвычайно плотной атмосферой из углекислоты и угарного газа, в которой плавают облака кристаллического аммиака…

Быков посмотрел на цветную фотографию Венеры – на бархатно-черном фоне желтоватый диск, тронутый голубыми и оранжевыми тенями, – и захлопнул тяжелый том.

Оцените, насколько сведения о Венере, доступные авторам повести, соответствуют современным данным об этой планете.

5.13. Спутник Венеры

Продолжаем внимательно изучать повесть Стругацких «Страна багровых туч» (1959). Часть 1, «Седьмой полигон», глава «На пороге». Герой повести геолог Дауге рассказывает о командире корабля «Хиус» и начальнике экспедиции Анатолии Ермакове:

Жена Ермакова была первым человеком, высадившимся на естественном спутнике Венеры.

О каком именно спутнике идет речь?

5.14. Перевернутая радуга

Вновь у нас в руках повесть Стругацких «Страна багровых туч» (1959). Часть 1, «Седьмой полигон», глава «”Хиус” возвращается». Планетолет приблизился к посадочной площадке космодрома.

Небо осветилось дрожащим фиолетовым заревом. И сразу же исчезло кажущееся серое однообразие неба и тундры. Стал отчетливо виден тонкий муаровый рисунок каждой тучи. По земле пробежали прихотливо изогнутые ослепительно белые прожилки. Свет усиливался. Над тундрой заиграла странная перевернутая радуга.

Как объяснить это явление?

5.15. Вогнутое зеркало

Мы не расстаемся с повестью Стругацких «Страна багровых туч» (1959). Часть 1, «Седьмой полигон», глава «”Хиус” возвращается». Планетолет «Хиус» – это фотонная ракета на термоядерном топливе (дейтерий + тритий). Герой повести Быков впервые подошел близко к планетолету:

Ничего подобного по масштабам и по форме ему еще не приходилось видеть. Правда, на первый взгляд «Хиус», пожалуй, имел некоторое сходство с черепахой… Но вблизи такое сравнение просто не могло прийти в голову. Больше всего планетолет походил, кажется, на громоздкую беседку-павильон о пяти толстых косых колоннах. Каждая из колонн, величиной с водонапорную башню, поддерживала крышу-корпус, имеющий форму выпукло-вогнутой линзы. Нижняя вогнутая поверхность корпуса была зеркальной, и, зайдя под нее, Быков увидел над головой свое донельзя искаженное и увеличенное отражение.

Зеркало… Тончайший слой волшебного вещества, которое в природе, вероятно, существует только в недрах самых плотных звезд, неимоверными ухищрениями нанесенный на полированный металл. Быкову показалось, что он ощущает на своем лице слабый, едва заметный ток тепла. Но он знал, что зеркало остается холодным даже во время работы фотореактора. Вот из этой черной дыры в центре вогнутой поверхности на высоте десяти-пятнадцати метров брызжет струя раскаленной плазмы, и там, где он, Быков, стоит сейчас, начинается сумасшедшая реакция синтеза голых ядер. Быков нервно передернул плечами и поспешно вышел под открытое небо.

Понятно, что реакция термоядерного синтеза происходит в точке фокуса параболического (точнее – параболоидного) зеркала, формирующего отраженный пучок параллельных лучей.

Вопрос: мог ли герой увидеть свое отражение, пусть даже искаженное, находясь в точке фокуса такого зеркала?

5.16. Испытания «Хиуса»

Повесть Стругацких «Страна багровых туч» (1959) была написана еще до запуска первого спутника и опубликована до первого полета человека в космос на обычной ракете с химическим топливом, а братья-фантасты уже обсуждают полеты по Солнечной системе на фотонных планетолетах с термоядерным источником энергии. Часть 1, «Седьмой полигон», глава «Как аргонавты в старину…». Первый испытательный полет фотонного планетолета «Хиус» под управлением Василия Ляхова:

В соответствии с планом испытательного перелета «Хиус» через двадцать часов после старта принял неподвижное по отношению к Солнцу положение и затем, с постоянным ускорением в 9,7 метра в секунду за секунду, устремился к точке встречи с Венерой в обход Солнца. Пройдя точно половину расстояния и достигнув скорости четыре тысячи километров в секунду, Ляхов повернул планетолет зеркалом к точке встречи и начал торможение. Через восемь с половиной суток «Хиус» вышел на орбиту «Циолковского» – одного из советских искусственных спутников Венеры, а еще через несколько часов причалил к нему. Далее, следуя программе испытаний, Ляхов около месяца маневрировал вокруг Венеры, проверяя работу фотореактора на всех режимах, посетил искусственные спутники, принадлежащие другим государствам, совершил посадку на Вениту – естественный спутник Венеры, и наконец отправился в обратный путь…

Проверьте, все ли тут верно.

5.17. Стремительный «Хиус»

Фотонный планетолет из повести Стругацких «Страна багровых туч» (1959) вновь отправляется к Венере, двигаясь с постоянным ускорением около 10 м/с². Часть 2, «Пространство и люди», глава «Сигнал бедствия»:

Прошло пятьдесят пять часов полета, и Ермаков объявил, что наступило время повернуть «Хиус» зеркалом к Солнцу и начать торможение. Скорость планетолета к этому моменту достигала тысячи двухсот километров в секунду. В течение последующих сорока часов «Хиус» должен был двигаться с отрицательным ускорением относительно Солнца, чтобы прийти к месту встречи с Венерой с нулевой скоростью.

Согласованы ли друг с другом указанные цифры?

5.18. Температура Венеры

В повести Стругацких «Страна багровых туч» несколько раз указывается температура (по шкале Цельсия) у поверхности Венеры.

1) Часть 3, «На берегах Урановой Голконды», глава «Последнее слово Голконды»:

– Температура нормальная, – сообщил Юрковский, рассматривая ручной термометр, – пятьдесят четыре и три. Для этих мест вполне нормальная. Это не лава.

2) Часть 3, «На берегах Урановой Голконды», глава «На берегах Дымного моря»:

Однажды из дымной стены выползла иссиня-черная туча и покатилась по равнине прямо на транспортер. Прыгая в люк, Быков успел заметить, как над Голкондой вспыхнуло ослепительное синее зарево. Ермаков повел транспортер прочь, но туча догнала его, навалилась. Забарабанили по броне тяжелые удары – туча несла с собой обломки камня, груды песка. Стрелка в термометре взлетела до четырехсот.

3) Часть 3, «На берегах Урановой Голконды», глава «Красное и черное»:

С удалением от болота влажность атмосферы резко понизилась, упала почти до нуля. Увеличилось содержание в атмосфере радиоактивных изотопов инертных газов, окиси углерода и кислорода, температура колебалась в пределах семидесяти пяти – ста градусов».

4) Часть 3, «На берегах Урановой Голконды», глава «На берегах Дымного моря»:

Несмотря на сильную радиоактивность почвы и температуру, доходящую до ста градусов, местность, по-видимому, была обитаема.

Оцените, насколько эти значения согласуются с реальной температурой у поверхности Венеры.

5.19. Высокое напряжение

Планетолет «Тахмасиб» из повести Стругацких «Путь на Амальтею» (1960), приблизившись к Юпитеру, испытал метеоритную атаку (глава 2, «Люди над бездной», раздел 2). В этот момент планетологи Дауге и Юрковский находились у своих оптических приборов, наблюдая экзосферу планеты. Мощные удары и резкие маневры планетолета вызвали травмы членов экипажа. Юрковский был без сознания, и коллега пытался ему помочь:

Дауге расстегнул на Юрковском куртку. Он увидел странный ветвистый рисунок на коже, бегущий через грудь от плеча до плеча. Рисунок был похож на силуэт каких-то диковинных водорослей – темно-багровый на смуглой коже. Некоторое время Дауге тупо разглядывал странный рисунок, а затем вдруг сообразил, что это след сильного электрического удара. Видимо, Юрковский упал на обнаженные контакты под высоким напряжением. Вся измерительная аппаратура планетологов работала под высоким напряжением.

Вопрос: зачем оптическим приборам требовалось высокое напряжение?

5.20. В недрах Юпитера

Планетолет «Тахмасиб» из повести Стругацких «Путь на Амальтею» (1960), испытав метеоритную атаку, нырнул в атмосферу Юпитера и стал опускаться все ниже и ниже (глава 2, «Люди над бездной», раздел 3). Герои повести пытаются понять, что произойдет раньше: давление окружающего газа раздавит планетолет или же падение «Тахмасиба» остановится архимедовой силой его плавучести. Капитан Быков сообщил, что корпус планетолета выдержит давление в 200 000 атмосфер. Штурман Михаил Антонович проделал расчеты и сообщил:

Получается так, что мы провалимся на шесть-семь мегаметров и там повиснем. Будем плавать… Давление огромное, но нас не раздавит, это ясно. Только будет очень тяжело – там сила тяжести два – два с половиной «же».

Считая, что глубину погружения штурман указал от верхнего облачного слоя Юпитера, где давление газа составляет около 1 атм, и что шкала высоты атмосферы в этой области составляет около 30 км, определите, насколько верным оказался вывод штурмана о том, что «нас не раздавит».

6. Астрономические часы

6.1. 24 часа

Почему путешественники, идущие к полюсам Земли, предпочитают иметь часы со стрелками и циферблатом, разделенным на 24 часа?

6.2. Время остановилось

Самолет взлетел и, взяв курс на запад, двигался строго по параллели со скоростью 850 км/час. Прибыв в аэропорт назначения, пассажиры обнаружили, что время вылета и время прилета по солнечным часам оказалось одинаковым. На какой географической широте проходил полет?

6.3. Гарри Поттер

В книге Дж. К. Роулинг «Гарри Поттер и философский камень» перечислены предметы, необходимые ученикам Школы чародейства и волшебства «Хогвартс». Оказалось, что молодым волшебникам среди прочего требуются и телескопы, поскольку они должны изучать астрономию. «Каждую среду ровно в полночь они приникали к телескопам, изучали ночное небо, записывали названия разных звезд и запоминали, как движутся планеты». Вопрос: если каждый раз наблюдения проводились в одно и то же время, то как же могли ученики изучить разные звезды?

6.4. Наше время

Как называется время, которое показывают ваши часы? Наручные, настенные, в сотовом телефоне или компьютере – все равно.

6.5. Ломоносов и Венера

Как известно, М. В. Ломоносов наблюдал прохождение Венеры по Солнцу 26 мая 1761 г. Однако в последующие годы летние прохождения Венеры наблюдались в начале июня: 3/4 июня 1769 г., 8 июня 2004 г., 5/6 июня 2012 г. Чем можно объяснить майское прохождение Венеры в 1761 г.?

6.6. Покрытия звезд Луной

Двигаясь по небу, Луна закрыла своим диском звезду. Через какое время можно ожидать появления звезды из-за лунного диска?

6.7. Неправильная полночь

Как известно, в Москве местная средняя солнечная полночь наступает в 0 ч 29 мин по московскому декретному «зимнему» времени (т. е. по времени третьего часового пояса). Наблюдательный москвич заметил, что 9 ноября в 17 ч 30 мин, за 7 часов до местной средней полуночи, было уже совсем темно, и с удивлением обнаружил, что через 7 часов после местной средней полуночи, в 7 ч 30 мин 10 ноября, рассвет был уже очень ощутим. Условия облачности вечером и утром были примерно одинаковыми. В чем причина этой асимметрии?

6.8. Догнать время

С какой скоростью и в каком направлении должен лететь самолет в районе экватора, чтобы местное солнечное время для пассажиров самолета остановилось?

6.9. Надежная широта

В старину моряки не особенно доверяли компасу, а чтобы избежать губительных скал и мелей, больше полагались на «лот, широту и осмотрительность». С осмотрительностью все ясно – она никогда не помешает. Лот нужен для измерения глубины воды: он может предупредить о приближении мели. А вот почему из двух географических координат моряки доверяли именно широте?

6.10. Конец света

В 2012 г. журналисты активно обсуждали слухи о конце света, якобы намеченном по календарю майя на 21 декабря 2012 г. По этому поводу появилось немало анекдотов. Вот один из них.

Публичная лекция по астрономии. На кафедру поднимается лектор в черном фраке и белых тапочках. Он обращается к публике:

– Вы, наверное, желаете услышать о новейших достижениях в области астрономии? Однако я не стану читать лекцию, поскольку это уже не имеет смысла: с минуты на минуту произойдет конец света.

Слушатели в недоумении:

– Что? Почему? Откуда?

Лектор торжественно объявляет:

– В моей обсерватории только что остановились часы.

Слушатели улыбаются, смеются, подначивают лектора:

– А заводить не пробовал? Батарейку замени! Смажь шестеренки! Вызови часовщика! Переходи на «Ролекс»!

Лектор невозмутимо пережидает шум в зале и сообщает:

– Дело в том, что часы в моей обсерватории… солнечные!

Это, конечно, анекдот, но вопрос-то остается: могут ли остановиться солнечные часы?

6.11. Перелет к антиподам

Как известно, пассажиры авиарейса, летящего на восток, переводят часы вперед, чтобы их показания соответствовали местному времени в пункте прилета. А пассажиры авиарейса, летящего на запад, переводят часы назад. Куда и насколько должны перевести часы пассажиры авиарейса, который сначала летит точно по меридиану на север до Северного полюса, а пролетев его, продолжает лететь на юг и приземляется?

6.12. День равноденствия

В астрономическом календаре на 2010 г. было указано, что долгота дня в Москве 20 марта, в день весеннего равноденствия, составляет 12 час 10 мин. Почему же этот день считался днем равноденствия?

6.13. Начало века

Когда начался XXI век?

7. Завтрак с астрофизиком

7.1. Человек против Солнца

Студент-первокурсник астрономического отделения физического факультета МГУ шел по коридору ГАИШ и, проходя мимо двух спорящих аспирантов, услышал такое утверждение: «А все же эффективность генерации энергии у Солнца невероятно низкая! Даже моя бабушка – и то эффективнее!» Студент был изумлен, вспомнив, что говорили ему в школе («Солнце – главный источник энергии в нашей планетной системе…»). Очевидно, что даже самая энергичная бабушка не может с ним сравниться. Однако, поразмыслив, студент понял смысл подслушанной фразы. А вы поняли?

7.2. Солнце из угля

Если бы Солнце состояло из угля или нефти, то, сжигая их в кислороде, как долго оно могло бы поддерживать свою светимость? (Теплотворная способность угля и нефти составляет около Q = 2 · 10⁷ Дж/кг.)

7.3. Солнце сжимается

Если бы источником энергии излучения Солнца служила только гравитационная энергия его сжатия, то как долго оно могло бы поддерживать свою светимость?

7.4. Солнце гаснет

Предположим, что термоядерные реакции в недрах Солнца вдруг прекратились. Через какое время мы заметим это на Земле?

7.5. Солнце испаряет Землю

Если бы удалось все излучение Солнца направить на земной шар, то за какое время Мировой океан целиком испарился бы в космос? А вся планета?

7.6. Пылинка у Солнца

Вокруг Солнца по круговой орбите радиуса R движется абсолютно черная сферическая пылинка. Какова ее температура?

7.7. Прозрачное Солнце

Как бы выглядело для наблюдателя Солнце, вдруг ставшее совершенно прозрачным для всех видов излучения?

7.8. Пятно на Солнце

Представьте себе невероятное: на Солнце развилось гигантское пятно, закрывшее весь диск нашего светила. Станет ли днем темнее, чем в лунную ночь? А холоднее?

7.9. Черный-черный… (задача-шутка)

Расставить в порядке усиления черноты:

a) черный ящик;

б) черная дыра;

в) абсолютно черное тело.

7.10. Почти со скоростью света

Как будет выглядеть звездное небо для наблюдателя, летящего на субсветовом звездолете (т. е. со скоростью, близкой к скорости света)?

7.11. Солнечный ветер-1

Солнечный ветер (поток протонов, электронов и α-частиц) имеет следующие средние параметры в районе земной орбиты: плотность числа частиц около n = 10 см^–3 (можно считать, что в основном это протоны) и скорость около v = 450 км/с. А солнечная постоянная (т. е. интенсивность солнечного излучения вблизи Земли) приблизительно равна I = 1,4 кВт/м². Что оказывает большее давление на абсолютно отражающую плоскость в космическом пространстве – солнечный свет или солнечный ветер?

7.12. Солнечный ветер-2

Солнечный ветер (поток протонов, электронов и α-частиц) имеет следующие средние параметры в районе земной орбиты: плотность числа частиц около n = 10 см^–3 (можно считать, что в основном это протоны) и скорость около v = 450 км/с. А солнечная постоянная (т. е. интенсивность солнечного излучения вблизи Земли) приблизительно равна I = 1,4 кВт/м². В какой из этих двух форм Солнце теряет больше энергии-массы?

7.13. Гиганты и карлики

Почему звезды-гиганты и звезды-карлики одинаковых спектральных классов имеют разную температуру поверхности? Какие из них горячее?

7.14. Нуклеосинтез

Почему в недрах звезд термоядерные реакции идут вплоть до железа, а первичный космологический нуклеосинтез практически остановился на гелии?

7.15. Синтез гелия

Почему в недрах звезд для переработки заметной доли водорода в гелий требуются миллиарды лет (в лучшем случае – миллионы), а в эпоху Большого взрыва, когда температура и плотность вещества были примерно такими же, как в недрах звезд, за первые 3 минуты после начала расширения Вселенной вещество на четверть стало гелием?

8. Звездные системы

8.1. Скопление одинаковых звезд

В звездном скоплении N одинаковых звезд. Каждая имеет блеск m звездных величин. Каков полный блеск этого скопления?

8.2. Скопление разных звезд

В звездном скоплении N₁ одинаковых звезд с блеском m₁ у каждой и N₂ одинаковых звезд с блеском m₂ у каждой. Каков полный блеск этого скопления?

8.3. Движется звезда

Звезда, удаленная от Солнца на R парсеков, движется перпендикулярно лучу зрения со скоростью V км/с. На сколько угловых секунд (A) перемещается она за 100 лет для земного наблюдателя на фоне очень далеких объектов, например квазаров?

8.4. Сверхновая Тихо Браге

Вечером 11 ноября 1572 г. Тихо Браге обнаружил вспышку сверхновой звезды в Кассиопее. Как отметил сам Тихо и другие наблюдатели, эта звезда была намного ярче Сириуса (который восходит в ноябре после полуночи) и даже ярче Венеры (а была ли она видна в тот период?). В последующие дни звезду можно было наблюдать и при дневном освещении (а какова была высота Сверхновой Тихо над горизонтом в светлое время суток?).

8.5. Сверхновая Кеплера

В начале октября 1604 года в «правой пятке» фигуры Змееносца вспыхнула новая звезда – Сверхновая Кеплера (Stella Nova Joannis Keppleri). Она вспыхнула вслед за Сверхновой Тихо Браге 1572 г. и оказалась последней вплоть до наших дней, которую можно было наблюдать в нашей Галактике невооруженным глазом. В максимуме блеска ее яркость достигла почти –2,5^m, лишь немногим уступая Сверхновой Тихо (−4^m).

Попробуйте восстановить условия наблюдения Сверхновой Кеплера: как долго ее можно было наблюдать в течение ночи, высоко ли она поднималась в Западной Европе, в какой фазе была Луна в дни максимальной яркости звезды и какие планеты были видны с ней по соседству?

8.6. Хаббл на шаре

Закон Хаббла, связывающий расстояние до галактики и скорость ее удаления от наблюдателя, часто иллюстрируют двумерной моделью надуваемого шарика.

Проверьте вычислениями, действительно ли в этой модели реализуется закон Хаббла, т. е. скорость удаления прямо пропорциональна расстоянию. Учтите, что все измерения делаются на поверхности шарика.