Четвёртая космическая скорость

Четвёртая космическая скорость — это минимальная скорость, которую необходимо придать объекту, чтобы он мог преодолеть гравитационное притяжение всей галактики (в нашем случае — Млечного Пути) и покинуть её пределы. Это понятие является теоретическим и используется в астрофизике для описания движения объектов в масштабах галактик.

Основные понятия

1. Космические скорости:

   • Первая космическая скорость: скорость, необходимая для выхода на орбиту вокруг Земли (около 7,9 км/с).

   • Вторая космическая скорость: скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения Земли и выхода в межпланетное пространство (около 11,2 км/с).

   • Третья космическая скорость: скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения Солнца и выхода за пределы Солнечной системы (около 16,7 км/с).

   • Четвёртая космическая скорость: скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения галактики.

2. Гравитационное поле галактики:

   • Галактика, такая как Млечный Путь, состоит из миллиардов звёзд, тёмной материи и других компонентов, создающих общее гравитационное поле.

   • Чтобы покинуть галактику, объект должен преодолеть это поле.

Расчёт четвёртой космической скорости

Четвёртая космическая скорость зависит от массы галактики и расстояния от центра галактики до точки, где находится объект. Для Млечного Пути её можно оценить следующим образом:

1. Масса Млечного Пути:

   • Оценочная масса Млечного Пути составляет около $1,5\times 10^{12}$ масс Солнца (где масса Солнца $M_{\odot }\approx 2\times 10^{30}$ кг).

2. Расстояние от центра галактики:

   • Солнечная система находится на расстоянии около 26 000 световых лет (примерно $8\times 10^{20}$ метров) от центра Млечного Пути.

3. Формула для расчёта:

   • Четвёртая космическая скорость $v_4$ рассчитывается по формуле:

     
     $${\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">v</span></em>}}_{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">4</span></em>}}<em><span\; style="font-size:16px;">=</span></em>\sqrt{\frac{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">2</span></em>}\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">G</span></em>}\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">M</span></em>}}{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">r</span></em>}}}<em><span\; style="font-size:16px;">,</span></em>$$

где:

• $G$ — гравитационная постоянная ($6,674\times 10^{-11}{\text{м}}^3\cdot {\text{кг}}^{-1}\cdot {\text{с}}^{-2}$),

• $M$ — масса галактики,

• $r$ — расстояние от центра галактики.

4. Пример расчёта для Млечного Пути:

• Подставляя значения, получаем:

  
  $$v_4\approx \sqrt{\frac{2\times 6,674\times 10^{-11}\times 1,5\times 10^{12}\times 2\times 10^{30}}{8\times 10^{20}}}\mathrm{}$$

• Упрощая, получаем:

  $${\mathrm{<strong><span\; style="font-size:16px;">v</span></strong>}}_{\mathrm{<strong><span\; style="font-size:16px;">4</span></strong>}}<strong><span\; style="font-size:16px;">\approx </span></strong>\mathrm{<strong><span\; style="font-size:16px;">550</span></strong>}\text{<strong><span style="font-size:16px;">\hspace{0.17em}</span></strong>}\text{<strong><span style="font-size:16px;">км/с</span></strong>}\mathrm{<strong><span\; style="font-size:16px;">.</span></strong>}$$

Таким образом, четвёртая космическая скорость для Млечного Пути составляет примерно 550 км/с.

Практическое значение

1. Теоретический характер:

   • Четвёртая космическая скорость имеет в основном теоретическое значение, так как на практике достижение такой скорости для искусственных объектов пока невозможно.

   • Современные космические аппараты (например, Voyager 1 и 2) движутся со скоростями порядка 17 км/с, что значительно меньше четвёртой космической скорости.

2. Астрофизические объекты:

   • Некоторые естественные объекты, такие как гиперскоростные звёзды, могут достигать скоростей, близких к четвёртой космической скорости, и покидать галактику.

3. Тёмная материя:

   • Изучение четвёртой космической скорости важно для понимания распределения тёмной материи в галактике, так как она влияет на гравитационное поле.

Интересные факты

• Гиперскоростные звёзды, которые движутся со скоростями, превышающими четвёртую космическую скорость, могут покидать галактику. Они образуются в результате взаимодействия с сверхмассивной чёрной дырой в центре галактики или при взрыве сверхновой в двойной системе.

• Четвёртая космическая скорость для других галактик может значительно отличаться в зависимости от их массы и размера.

Заключение

Четвёртая космическая скорость — это важное понятие в астрофизике, которое помогает понять, как объекты могут покидать галактику. Хотя достижение такой скорости для искусственных объектов пока остаётся фантастикой, изучение этого явления позволяет глубже понять структуру и динамику галактик, а также роль тёмной материи в их эволюции.