Введение

Гравитационная потеря импульса и энергии телами, движущимися в окружающей среде

сопротивление относительному движению между твёрдыми телами.
В астрофизике динамическое трение, или трение Чандрасекара, иногда называемое гравитационным торможением, — это потеря импульса и кинетической энергии движущихся тел за счёт гравитационного взаимодействия с окружающей материей в пространстве. Впервые подробно рассмотрено Субрахманьяном Чандрасекаром в 1943 году.

Интуитивный счет

Интуитивное представление об этом эффекте можно получить, если представить себе массивный объект, движущийся сквозь облако небольших легких тел. Гравитационное воздействие заставляет легкие тела ускоряться, приобретая импульс и кинетическую энергию (см. эффект пращи). Из закона сохранения энергии и импульса следует, что более тяжелое тело замедлится на величину, компенсирующую это. Поскольку происходит потеря импульса и кинетической энергии у рассматриваемого тела, эффект называется динамическим трением. Другой эквивалентный способ представить этот процесс – рассмотреть, как при движении массивного объекта сквозь облако меньших объектов, гравитация большого объекта притягивает к себе мелкие объекты. В результате за большим телом возникает концентрация мелких объектов (гравитационный след), поскольку он уже прошел мимо своей предыдущей позиции. Эта концентрация мелких объектов за большим телом оказывает на него коллективное гравитационное воздействие, замедляя его. Разумеется, этот механизм работает одинаково для любых масс взаимодействующих тел и при любых относительных скоростях между ними. Однако, хотя наиболее вероятным исходом для объекта, движущегося сквозь облако, является потеря импульса и энергии, как описано выше, в общем случае возможна как потеря, так и приобретение. Когда рассматриваемое тело приобретает импульс и энергию, тот же физический механизм называется эффектом пращи или гравитационным маневром. Этот метод иногда используется межпланетными зондами для увеличения скорости при пролете вблизи планеты.

Плотность окружающей среды

Чем больше плотность окружающей среды, тем сильнее сила динамического трения. Аналогично, сила пропорциональна квадрату массы объекта. Один из этих членов обусловлен гравитационным взаимодействием между объектом и следом, образующимся за ним. Второй член объясняется тем, что чем массивнее объект, тем больше вещества притягивается в этот след. Сила также обратно пропорциональна квадрату скорости. Это означает, что относительная скорость потери энергии быстро уменьшается с ростом скорости. Следовательно, динамическое трение несущественно для объектов, движущихся с релятивистскими скоростями, таких как фотоны. Это можно объяснить тем, что чем быстрее объект движется в среде, тем меньше времени у неё есть для формирования следа за ним.

Приложения

Динамическое трение играет особенно важную роль в формировании планетных систем и взаимодействиях между галактиками.

Протопланеты

Во время формирования планетарных систем динамическое трение между протопланетой и протопланетным диском вызывает перенос энергии от протопланеты к диску. Это приводит к миграции протопланеты внутрь.

Галактики

Когда галактики взаимодействуют посредством столкновений, динамическое трение между звёздами приводит к оседанию материи к центру галактики и хаотизации орбит звёзд. Этот процесс называется "насильственной релаксацией" и может превратить две спиральные галактики в одну более крупную эллиптическую галактику.

Галактические скопления

Эффект динамического трения объясняет, почему самые яркие (более массивные) галактики, как правило, обнаруживаются вблизи центра скопления галактик. Эффект двухчастичных столкновений замедляет галактику, при этом сила сопротивления тем больше, чем больше масса галактики. Когда галактика теряет кинетическую энергию, она движется к центру скопления. Однако наблюдаемая дисперсия скоростей галактик внутри скопления галактик не зависит от массы галактик. Объяснение заключается в том, что скопление галактик приходит в равновесие посредством насильственной релаксации, которая устанавливает дисперсию скоростей на уровне, не зависящем от массы галактики.

Звездные скопления

Эффект динамического трения объясняет, почему самые массивные звезды шаровых скоплений, как правило, находятся вблизи центра скопления. Эта концентрация более массивных звезд в ядрах скопления способствует столкновениям между звездами, что может запустить механизм последовательных столкновений и привести к образованию черных дыр промежуточной массы.

Фотоны

Фриц Цвикки предложил в 1929 году, что эффект гравитационного торможения фотонов может быть использован для объяснения космологического красного смещения как разновидности "уставшего света". Однако в его анализе была допущена математическая ошибка, и его оценка величины эффекта на самом деле должна была равняться нулю, что в том же году указал Артур Стэнли Эддингтон. Цвикки оперативно признал поправку, хотя и продолжал надеяться, что более полное рассмотрение сможет продемонстрировать наличие эффекта. В настоящее время известно, что эффект динамического трения на фотоны или другие частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями, пренебрежимо мал, поскольку величина торможения обратно пропорциональна квадрату скорости. Космологическое красное смещение общепринято рассматривать как следствие расширения Вселенной.