Движение в космосе: могут ли галактики столкнуться друг с другом?
Фотография: Thinkstock
Космос, в основном, ассоциируется с вакуумом, где нет движения, хотя каждая планета движется по собственной оси. На самом деле космос - не до конца вакуум: в нём есть очень разреженный газ. Сталкивается ли этот газ с другими молекулами, звезды - со звездами, а галактики - с галактиками? Блогер moralg отвечает на эти вопросы, аргументируя свою позицию физическими формулами.
Космос - это почти вакуум. В котором, однако, есть чрезвычайно разреженный газ из атомов и молекул, далеко отстоящие друг от друга звезды и разделенные еще большими расстояниями звездные острова - галактики. Сталкиваются ли молекулы газа с другими молекулами, звезды - со звездами, галактики - с галактиками?
С первого взгляда может показаться, что чем меньше объект, тем меньше вероятность ему столкнуться с себе подобным. Однако это не так. Поэтому под катом каждый может узреть истину, установление которой проводится простейшей арифметикой. И картинку, иллюстрирующую эту истину.
Назовем расстояние, пробегаемое частицей (молекулой, звездой, галактикой) от одного столкновения с себе подобной до другого столкновения длиной свободного пробега и обозначим его буквой λ (лямбда). Приближенная оценка этой величины такова:
λ ~ 1 / (n * σ), (1)
где n - число рассматриваемых частиц в единице объема, σ - площадь поперечного сечения частицы, * - знак умножения.
Для примера рассмотрим окружающий нас воздух. В нем n ~ 3 * 10**19 в куб. см., где двойная звездочка ** означает знак возведения в степень. А поскольку размер молекулы воздуха примерно равен l ~ 2 * 10**(-8) см, то σ ~ l * l ~ 4 * 10**(-16) кв.см. Подставляя эти величины в приведенную выше формулу, получаем: λ ~ 10**(-4) см. То есть, длина свободного пробега молекул в окружающем нас воздухе порядка 1/10000 сантиметра.
А время, в течение которого частица движется свободно между двумя столкновениями, каково? Очевидно, что это время (τ):
τ ~ λ / v , (2)
где v - характерная скорость молекул воздуха. Эта скорость порядка скорости звука, то есть равна примерно 330 м/сек. Отсюда следует, что в окружающем нас воздухе τ ~ 3 * 10**(-9) сек., то есть порядка трех миллиардных долей секунды.
И вот теперь перейдем к космосу.
1. Межзвездный газ. Его плотность в разных частях Галактики заметно отличается. Но в среднем в межзвездном газе порядка одного атома водорода в куб. см.. И поскольку размер такого атома примерно вдвое меньше размера молекулы воздуха, то в межзвездном газе λ ~ 10**16 см ~ 10**11 км ~ 10**(-2) свет. года. Поскольку один световой год равен примерно 10**13 км.
Много это или мало? Толщина газового диска Галактики в окрестности Солнца составляет несколько сот световых лет. Поэтому любой атом межзвездного газа успеет десятки и сотни тысяч раз столкнуться с себе подобными прежде чем сможет пересечь диск Галактики. Итак, межзвездный газ - столкновительная система.
2. Звезды. Ближайшая к нашему Солнцу звезда находится примерно в 4 световых годах от нас. Это означает, что в нашей части Галактики плотность звезд порядка 0,02 штуки на кубический световой год. Понятно, что ближе к центру Галактики звезд погуще. Поэтому сочтем, что для звезд n ~ 1 / куб.св.год. Размер нашего Солнца сочтем для простоты типичным - его диаметр немногим больше одного миллиона км. Или ~ 10**(-7) св. года. И поскольку сечение пропорционально квадрату диаметра, то λs ~10**14 св.лет. Но ведь 10**14 св. лет - это практически размер Вселенной! А типичный размер галактик порядка 10**5 св. лет. То есть, длина свободного пробега звезд по порядку величины в миллиард раз больше размера типичной звездной системы! Иначе - звезды практически не сталкиваются?
Подойдем с другого бока. Оценим промежуток времени между столкновениями звезд. Типичная скорость звезд в галактиках порядка 200-300 км/сек. Если ее подставить в формулу (2) с приведенной выше λs ~10**14 св.лет, то получится τs ~10**17 лет. Что в миллионы раз больше, чем возраст Вселенной (14 млрд. лет).
Итак, звезды в галактиках практически не сталкиваются.
3. Галактики. Ближайшая к нам крупная галактика - туманность Андромеды. До нее 2,5 млн. св. лет., а ее диаметр порядка 200 тыс. св. лет. Наша Галактика чуть поменьше, но для оценок будем ее считать такой же. Считая, что одна частица-галактика приходится на куб, размером в 2,5 млн. св. лет, а сечение σ равно площади круга диаметром в 200 тыс. св. лет, из формулы (1) получаем, что длина свободного пробега галактик λG ~ 10**8 св. лет, что на два с лишним порядка меньше размера Вселенной.
Итак, галактики во Вселенной сталкиваются.
В качестве примера взгляните на картинку столкновения галактик NGC 6621 и NGC 6622:
Обсудить в блоге автора