​​#простыевопросы: как рождаются звёзды?

Звёзды представляют собой раскалённые шары газа - преимущественно водорода с некоторой примесью гелия и куда меньшим количеством прочих элементов. При этом раскалены они настолько, что в их недрах идут реакции слияния ядер лёгких элементов (снова-таки, в основном водорода) с образованием более тяжёлых и выделением энергии. Именно эта энергия позволяет звёздам поддерживать температуру и светиться - ведь свечение звёзд есть ни что иное, как тепловое излучение, которое производят любые нагретые тела.

Но откуда вообще взялись эти космические газовые капли? И что нагрело их до температур запуска термоядерных реакций (а это миллионы и десятки миллионов градусов)?

Ответ на оба эти вопроса один: гравитация. Звёзды возникают из гигантских космических газовых облаков, которые под действием собственной гравитации сжимаются вокруг своего центра масс. При сжимании все газы нагреваются, и космический газ не является исключением. В результате этого процесса и образуется звезда.

Для образования звёзд нужны плотные и холодные (чтобы тепловое движение частиц не помешало гравитационному сжатию) космические облака, которые в процессе формирования звезды становятся ещё плотнее. Именно поэтому "колыбели" звёзд выглядят тёмными пятнами на фоне относительно светлых газопылевых туманностей (менее плотных космических облаков, рассеивающих свет других звёзд). Такие тёмные области называют глобулами Бока.

Однако позже излучение новорожденной звезды благодаря своему световому давлению рассеет "газовую капсулу", в которой та созревала - это похоже на то, как новорожденный организм вылупляется из яйца, проломив его оболочку.

Правда, "вылупившийся из скорлупы" объект - это ещё не настоящая звезда: она ещё недостаточно горяча для того, чтобы в ней запустилась термоядерная реакция. Такие объекты, внешне очень похожие на обычные звёзды, именуют объектами типа Т Тельца: им предстоит пройти "стадию взросления", в ходе которой будущая звезда дополнительно уплотняется и нагревается с тем, чтобы стать настоящей звездой. Этот процесс занимает примерно 100 миллионов лет.

Перед самым превращением в настоящую звезду (или, по другим теориям, вскоре после этого превращения), новорожденное светило оповещает Вселенную о своём рождении впечатляющим салютом: выбросом двух мощных фонтанов вещества со своих полюсов, известных как объекты Хербига-Аро. Природа формирования этих объектов нам пока до конца не ясна, и мы даже не знаем, все ли звёзды их создают при рождении.

Иногда образовавшийся в результате гравитационного коллапса газового облака объект недостаточно велик для того, чтобы нагреть себя до температуры "поджига" термоядерной реакции. Протозвезда становится недозвездой: коричневым карликом, который будет до конца своих дней кружить по Вселенной, медленно излучая в пространство энергию, накопленную на стадии гравитационного сжатия.

Масса вообще является определяющим фактором того, как будет выглядеть молодая звезда и что с ней произойдёт в будущем. В частности, от массы зависит температура и, соответственно, цвет звезды. Самые лёгкие звёзды - относительно холодные и имеют красный или оранжевый цвет, самые массивные - голубого цвета, являющегося признаком высоких температур. Чем массивнее звезда - тем ярче она светит, но и тем меньший срок жизни ей отведён: красные карлики имеют сроки жизни, превышающие нынешний возраст Вселенной, тогда как наиболее массивные голубые сверхгиганты живут порядка десятков и сотен миллионов лет - сущее мгновение по космическим масштабам!

Стоит добавить, что газовые облака необходимой для звездообразования плотности образуются преимущественно в спиральных рукавах галактик, причём часто их появлению способствуют различные космические катаклизмы - например, взрывы сверхновых, ударные волны которых образуют области повышенной плотности межзвёздного газа во фронте ударной волны. Да-да, гибель одних звёзд создаёт условия для формирования других!

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

#загадки_физики: теория струн

Очень часто просят пояснить за теорию струн, что она такое, зачем нужна и правда ли вообще всё это? Тема интересная, да вот беда: реально в теории струн разбираются, наверное, пара сотен человек на планете – уж больно зубодробительная там математика, да и всё остальное тоже сильно непросто.

Как-то во время учёбы в институте я побывал на одном семинаре, где давали самые вводные понятия по этому делу, так понимать суть происходящего я перестал примерно уже минут через двадцать. Впрочем, мой товарищ, бывший лучшим студентом нашей кафедры теорфизики на тот момент, продержался немногим дольше)))

И всё-таки попробуем – но совсем уж «на пальцах», учитывайте это.

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​#простыевопросы: почему облака снизу плоские?

Обычные кучевые облака (и не только они!) имеют пышную пушистую верхушку, но их нижняя граница совершенно плоская. Понять, почему так происходит, несложно, если вспомнить, что облака - результат конденсации содержащихся в воздухе водяных паров при подъёме воздушных масс на определённую высоту.

У земли воздух теплее, чем на высоте: каждые 1000 метров подъёма его температура падает в среднем на 6 градусов. Тёплый воздух легче холодного, и поэтому он поднимается вверх по закону Архимеда. Этот процесс называется атмосферной конвекцией.

По мере подъёма воздух охлаждается, и при определённой температуре становится уже неспособен удерживать содержащиеся в нём водяные пары. Начинается их конденсация с образованием мелких водяных капель. Именно эти скопления этих капель, рассеивающие солнечный свет, мы и воспринимаем как облака.

Так вот: температура, при которой начинается конденсация водяных паров из воздуха (её ещё называют точкой росы), достигается на строго определённой для данной влажности воздуха (и в зависимости от ряда других параметров) высоте. Именно эта высота и является нижней границей облаков: обычно она находится на высоте порядка 1 километра, но может составлять 2-3 или даже 4-5 километров.

При этом с началом конденсации водяных паров конвекция не останавливается: восходящие потоки воздуха продолжают увлекать образовавшиеся водяные капли наверх, образуется пушистая облачная верхушка. Кстати, чем более пушистыми (как говорят метеорологи, лучше развитыми в вертикальном направлении) являются облака, тем больше вероятность развития таких явлений, как дождь, гроза или шторм. Наиболее опасными в этом плане являются т.н. облака-наковальни, о которых мы уже писали тут.

Кстати, не все облака имеют плоское дно: в качестве исключений можно назвать лентикулярные облака или облака-мамматусы. Однако это достаточно специфические виды облаков, возникающие в определённых условиях. Большинство же облаков снизу всё-таки совершенно плоские.

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Почему провода вечно запутываются?

Обычно данное явление (наблюдающееся, кстати, не только с проводами, но и с любыми веревкоподобными предметами) принято объяснять законом подлости, но на самом деле у него есть вполне строгое физическое объяснение.

Под действием различных случайных воздействий (тряска при ходьбе, к примеру, или перемещения при перестановке прибора, к которому подключён провод), эти самые провода имеют шансы образовать переплетение - чаще всего, самый обычный перехлёст. В принципе, существует вероятность и того, что уже образовашийся перехлёст таким же спонтанным образом распутается обратно.

Но дело в том, что если перехлёст уже образовался, то в переплетённом положении провода (или, скажем, верёвку) удерживает сила трения спутавшихся фрагментов. Из-за этого распутаться верёвке (или проводу) сложнее, чем запутаться - проще говоря, процесс усложнения спутанности более вероятен, чем процесс её упрощения при каждом случайном возмущении, и именно поэтому провода и верёвки при произвольном хранении склонны запутываться всё сильнее.

Для того, чтобы избежать спутывания, надо создать условия, которые уменьшат вероятность перехлёста. Сделать это можно, придав проводам, шнурам или верёвкам напряжение - именно поэтому провода лучше хранить в плотно скрученном виде: внутренняя упругость будет мешать формированию перехлёстов при случайном возмущении, и узлы не будут формироваться.

Кстати, в 2007 году Дуглас Смит из Университета Калифорнии изучил процесс спутывания как теоретически, так и экспериментально. Он установил, что провода, шнуры и верёвки короче 46 сантиметров практически не склонны к запутыванию, а вот начиная от длины в 1,5 метра этот процесс практически неизбежен.

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Новорожденные звёзды порождают плазменные торнадо?

Мы с вами уже неоднократно (например, тут и тут) говорили об объектах Хербига-Аро - гигантских (длиной в несколько световых лет!) струях раскалённого газа, которые извергают из себя звёзды на начальных этапах своего существования. Однако физики до конца не понимают, как они образуются - как неизвестно достоверно, как формируются и другие виды полярных струйных течений у компактных космических объектов вроде нейтронных звёзд и чёрных дыр.

То есть, понятно, что для образования таких объектов необходимо наличие массивного гравитирующего объекта, окружённого плотным слоем космического газа и пыли. Однако конкретная механика этого процесса неясна: чаще всего ему принято приписывать электромагнитную природу, однако так ли это на самом деле?

Недавно наткнулся на интересную работу 2017 года, в которой волгоградские физики Кузьмин, Мусцевой и Храпов поясняют формирование объектов Хербига-Аро гидродинамическими и термодинамическими причинами: согласно их теории, объекты Хербига-Аро являются своего рода космическими торнадо, образующимися в окружающем молодую звезду газопылевом облаке с началом термоядерных реакций в звезде, что приводит к резкому увеличению выделяемой ей энергии.

К слову, "торнадообразная" структура объектов Хербига-Аро хорошо видна на фото одного из таких объектов (HH 49/50), сделанном в 2007 году телескопом "Спицер", которое я прикрепляю к посту.

Это лишь одна из теорий, однако звучит она крайне правдоподобно; может ли быть так, что термодинамическую и гидродинамическую природу имеют также джеты пульсаров и чёрных дыр?

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Перламутровые облака, которые по-научному называют полярными стратосферными - редкое и красивое явление, которое иногда путают с полярным сиянием, и с которым они не имеют ничего общего.

Это, пожалуй, самые высотные облака на Земле: высота их образования колеблется от 15 до 27 километров.

Условия для образования облаков на этой высоте практически отсутствуют: воздух здесь слишком сухой и чистый, а атмосферное давление слишком низкое, так что присутствующие тут в незначительных количествах водяные пары не конденсируются даже при существенных минусовых (-50 и ниже градусов) температурах. Поэтому долгое время механизм образования перламутровых облаков оставался неясен.

Сегодня считается, что причиной возникновения таких облаков является присутствие в верхних слоях атмосферы крошечных капелек серной и азотной кислоты: первая попадает в атмосферу преимущественно в результате вулканической деятельности, вторая образуется из атмосферного азота, к примеру, во вспышках молний.

Капельки кислоты связывают воду из атмосферы в составе тригидрата азотной кислоты или раствора серной кислоты в воде, в результате чего капельки растут в размерах и становятся видимыми. Этот процесс начинается при температуре ниже 78 градусов Цельсия, а потому происходит преимущественно в холодных околополярных областях (в средних широтах перламутровые облака возникают крайне редко, хотя иногда наблюдаются).

В некоторых случаях перламутровые облака образуются и из чистой воды. По наиболее распространённой теории, водяные пары попадают в верхние слои атмосферы в случае, когда сильный ветер огибает горную гряду. В результате образуются своего рода ударные волны, забрасывающие насыщенные водяными парами слои атмосферы туда, куда обычно они не попадают.

Причудливый свет перламутровых облаков, давший им своё название, объясняется сложным рассеянием света в таких кислотно-водяных капельках, размер которых составляет менее 1 микрометра. Так как облака находятся на большой высоте, солнце освещает их даже тогда, когда находится за горизонтом относительно наблюдателя на поверхности (т.е. перед рассветом или после заката). Именно в таких условиях облака предстают во всей своей красе: днём они представляют собой маловыразительную лёгкую белесую дымку и не особо примечательны.

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Опасен ли Большой адронный коллайдер?

Большой адронный коллайдер - одна из самых впечатляющих экспериментальных установок, когда-либо созданных человечеством: огромное кольцо длиной в 26,7 километра, внутри которого в мощных магнитных полях разгоняются до гигантских (околосветовых) скоростей различные заряженные частицы. В основном это протоны и атомные ядра, т.е. так называемые адроны (откуда слово "адронный" в названии установки).

После разгона частицы сталкивают между собой. Поэтому устройство и называют коллайдером (от английского collide - сталкиваться).

В ходе этих столкновений высвобождается приданная частицам кинетическая энергия, что позволяет изучать высокоэнергетические процессы в микромире.

До запуска коллайдера часто можно было услышать мнение, что, мол, этот самый запуск чреват для человечества ужасными катастрофами: чаще всего говорили о вероятности возникновения чёрной дыры, которая засосёт всю землю, хотя озвучивались и другие апокалиптические сценарии.

После того, как коллайдер запустили, и никто не умер, число таких страшилок сократилось, но не до нуля. В связи с этим имеет смысл сказать: никакой непосредственной опасности для человечества эксперименты на Большом адронном коллайдере не представляют.

В ходе этих экспериментов максимальная энергия частиц достигает 6,5 триллионов (10 в 12 степени электронвольт). Однако без всякого коллайдера Землю время от времени бомбардируют прилетающие из космоса частицы, кинетическая энергия которых может составлять 10 в 17, 10 в 19 электронвольт и выше. К примеру, в 1991 году зафиксировали влёт в земную атмосферу частицы, энергия которой оценивается в 3 на 10 в 20 электронвольт - это в 50 миллионов раз больше, чем способен "выдавать" Большой адронный коллайдер. При этом речь идёт лишь о зафиксированных частицах - сами по себе такие "визиты", вероятно, происходят куда чаще.

И, как видите, никто не умер, и ни в какую чёрную дыру никого не засосало.

Считается, что источниками высокоэнергетических частиц в космических лучах являются сверхновые звёзды, пульсары, а также квазары и другие необычные космические объекты.

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Почему болты, гайки и шурупы раскручиваются и выкручиваются сами по себе?

Чаще всего с этим явлением сталкиваются автомобилисты, но далеко не только они: любые подобные соединения, подвергающиеся случайным периодическим внешним воздействиям (тряска, вибрация и т.п.) имеют свойство к самораскручиванию.

Физика этого явления в общих чертах понятна: многократные случайные возмущения могут создавать воздействия, создающие раскручивающие моменты. Но ведь если эти возмущения случайны, то почему тогда происходит "самораскручивание", а не "самозакручивание", или хотя бы почему оба процесса не идут параллельно и не компенсируют друг друга?

Причина в том же, что и с проводами и верёвками, которые под действием случайных возмущений "самозапутываются". Дело в том, что закрученные гайка или болт являются менее энергетически выгодным состоянием, нежели закрученные. Мы и сами видим это, когда закручиваем их: с каждым витком нам приходится прилагать больше усилий для закручивания, тогда как при раскручивании каждый следующий виток даётся нам легче. Т.е. возмущения-то случайны, да вот система устроена так, что на "самораскручивающие" воздействия реагирует охотнее, чем на "самозакручивающие", и побеждают со временем именно первые.

Явление самораскручивания настолько значимо и неприятно, что разработчики крепёжных изделий придумали множество устройств, призванных бороться с ним. Самым известным является гроверная шайба: при раскручивании гайки, под которую она установлена, гроверная кромка распрямляется и врезается в металл гайки. Таким образом гроверная шайба делает процесс самораскручивания тоже невыгодным с энергетической точки зрения.

Существуют и иные способы, такие как стопорные шайбы, шплиты, контрагайки, различные системы с расклиниванием или шипами, проволочные стяжки и тому подобное.

По ссылке можно поддержать канал и его автора, а ещё вы можете сделать это, подписавшись на закрытый платный канал "Физика для друзей"

Откуда берутся красные молнии?

Обычный цвет молнии - бело-голубой. Он обусловлен тепловым излучением раскалённого воздуха в канале разряда, температура которого может достигать 30 тысяч градусов - это впятеро горячее, чем поверхность Солнца и соответствует температуре поверхности голубых звёзд. Именно поэтому молния имеет привычный нам цвет - такой цвет соответствует тепловому излучению при данной температуре.

Но в своём путешествии сквозь атмосферу свет, излучённый молнией, поглощается и рассеивается. Атмосфера сильнее поглощает и рассеивает в коротковолновой (фиолетово-голубой) части спектра: именно поэтому, как мы уже писали, наше небо синее. Рассеяние и поглощение обедняет излучение фиолетовыми и голубыми цветами: свет молнии сначала белеет, потом желтеет и, наконец, краснеет.

Наличие в воздухе между молнией и наблюдателем взвеси водяных капель, пыли или, реже, ледяных кристаллов усиливает процесс.

То есть, красная молния - на самом деле самая обычная, просто мы видим её такой, точно так же, как Солнце на закате видится нам красным, хотя его собственный свет при этом остаётся бело-жёлтым.

Хотя есть и настоящие красные молнии - так называемые спрайты, которые возникают в верхних слоях атмосферы над грозовым фронтом. Но это уже совсем другая история, да и невооружённым глазом с земли их заметить невозможно.

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".