Сталкиваются ли звезды друг с другом?

moralg — 28.07.2021 Космос - это почти вакуум. В котором, однако, есть: а) чрезвычайно разреженный газ из атомов и молекул, б) далеко отстоящие друг от друга звезды и в) разделенные еще большими расстояниями большие звездные острова - галактики. Сталкиваются ли молекулы газа с другими молекулами, звезды - с другими звездами, галактики - с другими галактиками?
      С первого взгляда может показаться, что чем меньше объект, тем меньше вероятность ему столкнуться с себе подобным. Однако это не так. Почему не так - разберемся:
      Назовем расстояние, пробегаемое частицей (молекулой, звездой, галактикой) от одного столкновения с себе подобной до другого столкновения, длиной свободного пробега и обозначим ее буквой λ (лямбда). Приближенная оценка этой величины такова:

                                                λ ~ 1 / (nσ),           (1)

где n - число рассматриваемых частиц в единице объема, σ - площадь поперечного сечения частицы.
      Для примера рассмотрим окружающий нас воздух. В нем n ~ 3 * 10¹⁹ молекул в куб. см., а размер молекулы воздуха примерно равен l ~ 2 * 10^-8 см и потому 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 и по порядку величины равна примерно 330 м/сек. Отсюда следует, что в окружающем нас воздухе τ ~ 3 * 10^-9 сек., то есть порядка трех миллиардных долей секунды.

      Теперь перейдем к космосу.

      1. Межзвездный газ. Его плотность в разных частях Галактики заметно отличается. Для простоты будем считать, что в среднем в межзвездном газе порядка одного атома водорода в куб. см. (пересчет на любую другую плотность газа тривиален). И поскольку размер такого атома примерно вдвое меньше размера молекулы воздуха, то в межзвездном газе λ ~ 10¹⁶ см ~ 10^-2  световых года. Поскольку один световой год равен примерно 10¹⁸ см.

  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 частиц.

      2. Звезды. Ближайшая к нашему Солнцу звезда находится примерно в 4 световых годах от нас. В первом приближении из этого следует, что в нашей части Галактики плотность звезд порядка 0,02 штуки на кубический световой год. Понятно, что ближе к центру Галактики плотность звезд гораздо больше. Поэтому сочтем для простоты, что для звезд n ~ 1 / куб. св. год (переоценка на любую другую плотность тривиальна). 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 ~ 10¹⁴ св. лет.  А типичный размер галактик порядка 10⁵ св. лет. То есть, длина свободного пробега звезд по порядку величины в миллиард раз больше размера типичной галактики!
      Эта оценка весьма груба. Ибо мы не учитывали взаимный гравитационный захват звезд. Его можно учесть по порядку величины с помощью формулы (1) из этой статьи. Его учет для таких звезд, как Солнце (вторая космическая скорость на его поверхности ~ 600 км/сек, "тепловая" скорость движения относительно окружающих звезд ~ 50-60 км/сек) уменьшит оценку длины свободного пробега звезд λs не менее, чем на два порядка до λs ~ 10¹² св. лет. Но качественно результат останется прежним - звезды в галактиках практически не сталкиваются.
    Звезд в любой приличной галактике - сотни миллиардов и даже триллионы. И лишь считанным единицам из них может не повезти - они испытают столкновение с другой звездой и разрушатся. Но остальные звезды за всю свою жизнь ни разу не столкнутся с другой звездой.

    Итак, звезды в галактиках - практически бесстолкновительные системы "частиц".

      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 ~ 10⁸ св. лет, что на два с лишним порядка меньше размера Вселенной.

      Итак, галактики во Вселенной сталкиваются. И фотопримеры их столкновений приведены в статье "Танцы и бодания галактик.". В том числе и пример тройного столкновения галактик:

      Р.S. Названия опубликованных заметок сериала "Эскизы Космоса" с интернет-ссылками находятся во втором сверху посте моего журнала и там разложены по тематическим рубрикам. Число этих эскизов уже перевалило за 70. Продолжение следует...

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив