Ты изучил весь курс физики с кирпичами и проводами. Теперь применим всё разом к самым большим объектам — звёздам, галактикам, чёрным дырам и всей Вселенной. Это астрофизика и космология: физика огромного, далёкого и древнего.
Звезда — это ядерный реактор, удерживаемый собственным тяготением. В недрах Солнца водород сливается в гелий (термоядерный синтез, урок про ядра!) — и E = mc² превращает массу в свет и тепло.
Гравитация сжимает Солнце внутрь, а давление изнутри раздувает наружу — они в вечной перестрелке. Пока синтез идёт — звезда стабильна. Закончится топливо — равновесие рухнет.
Звёзды тяжелее Солнца проходят стадии ярче и горячее, а заканчивают жизнь эффектно: железное ядро схлопывается, и звезда взрывается сверхновой. В момент взрыва рождаются элементы тяжелее железа — золото, уран, серебро. Мы состоим из звёздной пыли буквально: почти все атомы твоего тела выкованы в недрах далёких звёзд.
Если после взрыва ядро остаётся — оно сжимается до сверхплотной нейтронной звезды (ложка её вещества весит миллиарды тонн!). Быстро вращаясь, она шлёт радиоимпульсы — пульсар, космический маяк. Как супер-стабильные часы, пульсары помогают находить экзопланеты и даже проверять теорию относительности.
Если ядро массивнее ~3 Солнц, никакая сила не остановит сжатие: образуется чёрная дыра — объект, где гравитация сильнее всего, даже света. Граница «невозврата» называется горизонтом событий, а радиус для невращающейся дыры — Шварцшильда:
Для Солнца такой радиус — всего 3 километра. Чёрная дыра не «засасывает» всё подряд: далеко от неё работает обычная физика. Искривление пространства-времени рядом с ней заставляет время замедляться — привет, теория относительности.
Солнечная система — одна из 200+ миллиардов звёзд в галактике Млечный Путь. В центре галактик сидят сверхмассивные чёрные дыры (у нашей — 4 млн масс Солнца). Галактики группируются в скопления, а те — в сложную сеть-паутину всей Вселенной.
Кеплер вывел: орбиты планет — эллипсы, в фокусе которых Солнце; за равные времена радиус-вектор заметает равные площади; квадрат периода пропорционален кубу большой полуоси:
Ньютон объяснил всё это законом всемирного тяготения F = G·m₁·m₂/r². Спутники GPS постоянно корректируют время согласно и СТО, и ОТО — астрофизика работает у тебя в телефоне.
В 1929 Хаббл заметил: далёкие галактики разбегаются от нас, и чем дальше — тем быстрее (красное смещение = эффект Доплера для света). Значит, Вселенная расширяется — а 13,8 млрд лет назад была точкой! Это Большой взрыв: начало пространства, времени и всего вещества.
Через 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что свет «отцепился» от вещества и побежал свободно. Этот древний свет — микроволны, приходящие равномерно со всех сторон — реликтовое излучение. Его карта — это фотография младенчества Вселенной, косвенная поддержка теории расширения.
Новейшие данные: обычное вещество (звёзды, планеты, ты) — всего 5% Вселенной. Около 27% — тёмная материя (невидимая, но гравитирующая), а 68% — тёмная энергия, которая ускоряет расширение. Мы видим лишь вершину айсберга. Современная физика ещё только докапывается.
Тёмная энергия разгоняет расширение — похоже на вечный сценарий: звёзды погаснут, галактики разойдутся, всё остынет до абсолютного холода. Но возможны и другие сценарии. Астрофизика вовсе не закончилась — она только набирает обороты.
Применяй знания: ты теперь знаешь физику от кварков до галактик. Это дерзко и это круто.