Как далеко находятся звезды. Как измеряют расстояния до планет, звезд и галактик? Каким же образом измеряют расстояние до звезд
Покинем наш солнечный город и отправимся мысленно путешествовать в далекие края Вселенной.
В этой книжке уже говорилось, что еще в древности люди называли звезды неподвижными. В самом деле, вокруг Земли вращается целиком весь небесный свод (ты теперь знаешь, что это вращение кажущееся). А одна звезда от другой находится все время на одинаковом расстоянии.
Вот созвездие Большая Медведица. Какую фигуру образовывали его семь звезд две тысячи лет назад, такая же она и теперь, такой же останется еще в продолжение нескольких тысяч лет.
Однако неподвижность звезд кажущаяся: они с огромной скоростью несутся в мировом пространстве, но мы не замечаем их передвижений, так как звезды страшно далеки от нас.
В течение нескольких столетий астрономы пытались узнать, насколько далеки от нас звезды, и не могли это сделать.
В 1837 году директор Пулковской обсерватории В. Я. Струве сумел найти расстояние до звезды Беги. Оказалось, что эта звезда примерно в 1700 тысяч раз дальше от нас, чем Солнце!
Важно было сделать первый шаг. Одновременно со Струве и позднее ученые нашли расстояние до многих звезд.
Ближайшую к нам звезду астрономы назвали Проксима, по-латыни это и означает «Ближайшая». Проксима (она находится в созвездии Центавра) - звезда небольшая, ее видно только в хороший телескоп и только с Южного полушария Земли.
Посчитаем, как скоро можно добраться до Проксимы.
А на чем мы отправимся?
Представим себе фантастическую картину.
До Проксимы проложен рельсовый путь, и первый пассажирский поезд ожидает сигнала к отправлению. Мы с тобой, запыхавшись, подбегаем к кассе.
- Есть еще билеты до Проксимы?
- Пожалуйста. - спокойно отвечает кассир.
- Два билета!
- Платите деньги.
- А сколько?
- Сейчас подсчитаю, - говорит кассир. - Так как путь далекий, то начальство дороги установило выгодную для публики цену: по одному рублю за каждый миллион километров.
- Это прямо даром! - радостно удивляемся мы.
- Подождите немного! - улыбается кассир. - Итак, один рубль за миллион километров - это сто пятьдесят рублей за астрономическую единицу. А до Проксимы двести шестьдесят тысяч астрономических единиц, значит… с вас по тридцать девять миллионов рублей, граждане!
Мы пятимся от кассы в испуге.
- А… а как долго будет идти поезд?
- Сейчас высчитаем и это, - успокаивает нас кассир. - Мы отправляем экспресс - триста километров в час. Путь до Солнца занял бы пятьдесят восемь лет, а до Проксимы в двести шестьдесят тысяч раз дальше… Через пятнадцать миллионов лет доедете до цели, товарищи!
- Станции по дороге будут?
- Вряд ли… Разве какая-нибудь комета попадется.
Мы сконфуженно пятимся от кассы.
- В другой раз зайдем, когда будем посвободнее…
Кассир смотрит вслед нам с грустью.
- Видно, не состоится рейс. Все пассажиры убегают…
Оказывается, поезд для межзвездных путешествий совсем неподходящее дело. Мы вспоминаем о ракете. Предположим, что уже изобретено такое горючее, при котором скорость ракеты достигает 20 километров в секунду, 72 000 километров в час.
Сейчас мы с тобой узнаем, нисколько выгоднее лететь на ракете. Скорость ракеты в 240 раз больше скорости поезда, значит, времени понадобится в 240 раз меньше. Делим 15 миллионов на 240.
Однако же! Даже на ракете придется лететь 62 500 лет. Как далеки от нас звезды!
В этой книге уже говорилось, что самое быстрое в мире - световой луч. Каждую секунду он пробегает расстояние в 300 тысяч километров - почти столько же, сколько от Земли до Луны. Вот если бы путешествовать на световом луче!
Расстояние от Земли до Солнца, то есть одну астрономическую единицу, световой луч пробежит за 8 минут 20 секунд. В сутках 1440 минут - это в 173 раза больше, чем 8 минут 20 секунд. Значит, за сутки свет пробегает около 173 астрономических единиц, а за год он проделает путь в 63 000 астрономических единиц, то есть путь, который в 63000 раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца.
Расстояние, которое свет проходит за год, астрономы назвали световым годом, и этой огромно, мерой длины измеряют расстояния во Вселенной.
В самом деле, астрономическая единица хороша для Солнечной системы, а когда речь идет о звездных расстояниях, она становится совсем маленькой. Даже до Проксимы 260 тысяч астрономических единиц, а есть звезды, которые в тысячи и даже миллионы раз дальше от Земли. Мерить расстояние до таких звезд астрономическими единицами - это все равно что измерять расстояние от Москвы до Владивостока миллиметрами.
Твердо запомни: год - мера времени, 365 с четвертью суток; световой год - мера длины, 63 000 астрономических единиц.
Сколько световых лет до Проксимы? В одном световом году 63 000 астрономических единиц, а всего до Проксимы 260 тысяч астрономических единиц - это значит, что до нее четыре с лишним световых года. осказках.ру - сайт
Вот еще одна фантастическая сценка.
Экспедиция, посланная с Земли до Проксимы, добралась туда. Путешественники взяли с собой мощный радиопередатчик и ведут разговор с Землей.
- Алло, алло! Говорит Проксима! Земля, слышите нас?
- Алло, алло, говорит Земля! Слышим Проксиму хорошо! Как прошло путешествие?
- Очень хорошо! Никаких особенных происшествий по дороге не случилось. Ждем присылки людей и продовольствия.
- А разве вы не нашли там обитаемых планет?
- Пока не нашли. Устроились временно на одной небольшой планете, но природа на ней скудная и пища не годится для земных желудков.
- Хорошо, пришлем пассажирские и транспортные корабли. На этом разговор кончаем. До свиданья, Проксима!
- До свиданья, Земля!
Как ты думаешь, сколько времени займет этот немногословный разговор? Больше 25 лет! Между каждым вопросом и получением ответа на него пройдет больше восьми лет, так как радиоволны летят в пространстве с такой же скоростью, как и свет.
Свет с его колоссальной скоростью, 300 тысяч километров в секунду, мчится от Проксимы до нас больше четырех лет. А есть звезды, которые находятся неизмеримо дальше.
Необъятно велика Вселенная! И почти невозможно представить себе, как далеки от нас даже ближайшие звезды. Быть может, тебе помогут рассказы о поезде, о ракете и о разговоре по радио.
Какой маленькой представляли себе Вселенную древние!
В одной древнегреческой легенде рассказывается, что бог Гефест уронил с неба наковальню, и она летела до Земли девять дней и девять ночей. Древним грекам это расстояние казалось неимоверно большим, а падающий предмет пройдет за девять суток всего 580 тысяч километров - это чуть дальше, чем от Земли до Луны.
Даже Солнечная система в тысячи раз больше, чем вся Вселенная в представлении греков.
На границе галактики
Самые далёкие космические объекты расположены так далеко от Земли, что даже световые годы являются смехотворно малым мерилом их удалённости. Например, самоё близкое к нам космическое тело – Луна расположено всего в 1,28 световых секунды от нас. Как же представить себе расстояния, которые световой испульс не в силах преодолеть за сотни тысяч лет? Существует мнение, что измерять такое колоссальное пространство классическими величинами некорректно, с другой стороны других у нас нет.
Самая далёкая звезда нашей Галактики расположена в направлении созвездия Весов и удалена от Земли на расстояние, которое может преодолеть свет за 400 тыс. лет. Ясно, что эта звезда находится у пограничной черты, в так называемой зоне галактического гало. Ведь расстояние до этой звезды примерно в 4 раза превышает диаметр воображаемых просторов нашей Галактики. (Диаметр Млечного Пути оценивается примерно в 100 тыс. световых лет.)
За пределами галактики
Удивительно, что самую далекую, довольно-таки яркую звезду открыли только в наше время, хотя ее наблюдали и ранее. По непонятным соображениям астрономы не обратили особого внимания на слабо светящееся пятнышко на звездном небосклоне и различающееся на фотопластинке. Что же получается? Люди видят звезду в течение четверти века и... не замечают ее. Совсем недавно американскими астрономами из обсерватории имени Лоуэлла была открыта еще одна из наиболее отдаленных звезд в периферийных пределах нашей Галактики.
Эту звезду, уже потускневшую от «старости», можно поискать на небосклоне в расположении созвездия Девы, на расстоянии примерно 160 тыс. световых лет. Подобные открытия в темных (в прямом и переносном смысле слова) участках Млечного Пути позволяют внести важные корректировки при определении истинных значений массы и размеров нашей звездной системы в сторону их значительного увеличения.
Однако, даже самые далёкие звёзды в нашей галактике расположены относительно близко. Самые далёкие из известных науке квазаров расположены более чем в 30 раз дальше.
Кваза́р (англ. quasar - сокращение от QUASi stellAR radio source - «квазизвёздный радиоисточник») представляет собой класс внегалактических объектов, отличающихся очень высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» - звёзд.
Не так давно американские астрономы обнаружили три квазара, относящиеся к числу самых "старых" известных науке объектов во Вселенной. Их удаленность от нашей планеты составляет более 13 миллиардов световых лет. Расстояния до далеких космических образований определяются с помощью так называемого "красного смещения" – сдвига в спектре излучения быстро движущихся объектов. Чем дальше они находятся от Земли, тем быстрее, в соответствии с современными космологическими теориями, они удаляются от нашей планеты. Предыдущий рекорд дальности был зафиксирован в 2001 году. Красное смещение обнаруженного тогда квазара оценивалось величиной 6.28. Нынешняя троица имеет смещения 6.4, 6.2 и 6.1.
Темное прошлое
Открытые квазары всего на 5 процентов "моложе" Вселенной. Что было до них, сразу после Большого Взрыва – зафиксировать сложно: водород, образовавшийся через 300 000 лет после взрыва, блокирует излучение самых ранних космических объектов. Только рост числа звезд и последовавшая ионизация водородных облаков позволяет разорвать завесу над нашим "темным прошлым".
Для получения и проверки подобной информации требуется совместная работа нескольких мощных телескопов. Ключевая роль в этом деле принадлежит космическому телескопу Хаббл и цифровому телескопу Слоан, расположенному в обсерватории Нью-Мексико.
При наблюдении за какой-нибудь звездой с двух противоположных точек земного шара практически невозможно заметить различия в направлениях на звезду. Звезды находятся от Земли во много раз дальше, чем Луна, планеты, Солнце. Определить расстояние до ближайшей к нам звезды удалось русскому ученому В. Я. Струве. Это было более ста лет назад. Для этого ему пришлось наблюдать ее не с концов земного диаметра, а с концов прямой линии, которая в 23600 раз длиннее. Где же он мог взять такую прямую линию, которая на земном шаре не может уместиться? Оказывается, эта линия существует в природе. Это диаметр земной орбиты. За полгода земной шар перенесет нас на другую сторону от Солнца. Зная диаметр земной орбиты (а он вдвое больше среднего расстояния до Солнца), измерив углы, под которыми наблюдается звезда, можно вычислить расстояние до нее.
Самые близкие к нам звезды — Проксима Центавра и Альфа Центавра — находятся в 270 000 раз дальше от Земли, чем Солнце. Лучу света от этих звезд приходится лететь до Земли 4,5 года.
Расстояния до звезд огромны и измерять их километрами неудобно. Получается слишком большое число километров. И ученые ввели более крупную единицу измерения: световой год. Это такое расстояние, которое свет проходит в течение одного года.
Во сколько раз эта единица измерения больше, чем километр? 300000 км/с надо умножить на число секунд в году. Получим приблизительно 10 триллионов километров. Значит, один световой год больше одного километра в 10 триллионов раз (10 000 000 000 000).
Звезды могут находиться от нас на расстояниях, равных десяткам, сотням, тысячам световых лет и более.
Днем воздух так же прозрачен, как и ночью, однако звезды не видны. Все дело в том, что в дневное время атмосфера рассеивает солнечный свет. Попробуйте вечером из хорошо освещенной комнаты посмотреть на улицу. Сквозь оконное стекло яркие фонари, расположенные снаружи, видны достаточно хорошо, а слабо освещенные предметы разглядеть почти невозможно. Но стоит только выключить свет…
Река тихо и плавно течет по равнине, а на крутых обрывах ускоряет свое движение. Поток глубоко врезается в почву и образует узкие ущелья с крутыми и высокими стенами. Особенно быстро размывает вода берега, состоящие из рыхлых пород. Если же путь реке преграждают горы, она или огибает их, или пробивает, создавая глубокие ущелья и каньоны. Иногда…
Самое чистое и глубокое озеро — Байкал. Его длина 620 километров при ширине от 32 до 74 километров. Глубина озера в самом глубоком месте — трещине Ольхон — равна 1940 метрам. Объем пресной воды в озере составляет 2300 кубических километров. Африканской сестрой Байкала называют географы озеро Таньганьику. Оно возникло на территории Восточной Африки много миллионов…
Народная русская мудрость гласит: “Ставь дом там, где овцы легли”. А в Китае существует обычай не приступать к строительству дома, пока не убедишься в том, что место застройки свободно от “глубинных демонов”. Именно поэтому большинство старинных городов и сел как у нас на Руси, так во многих других странах, расположены очень удачно. Хотя есть, конечно,…
Потребность измерять время возникла у людей уже в глубокой древности. Первые календари появились много тысяч лет назад на заре человеческой цивилизации. Люди научились измерять промежутки времени, сопоставлять их с явлениями, которые повторялись периодически (смена дня и ночи, смена фаз Луны, смена времен года). Без использования единиц измерения времени люди не могли жить, общаться между собой,…
В этом созвездии две яркие звезды находятся очень близко одна от другой. Свое название они получили в честь аргонавтов Диоскуров — Кастора и Поллукса — близнецов, сыновей 3евса, самого могущественного из олимпийских богов, и Леды, легкомысленной земной красавицы, братьев Елены прекрасной — виновницы Троянской войны. Кастор славился как искусный возничий, а Поллукс как непревзойденный кулачный…
Великий итальянец Галилео Галилей (1564—1642), много сделавший для развития математики, механики, физики, достиг поразительных успехов в изучении небесных тел. Он прославился не только рядом астрономических открытий, но и огромной смелостью, с которой он встал на защиту учения Коперника, запрещенного всесильной церковью. В 1609 году Галилей узнал, что в Голландии появился прибор-дальновидец (так переводится с греческого…
Солнечное и лунное затмения знакомы человеку с глубокой древности. Когда человек еще не знал, отчего происходят эти явления, угасание Солнца средь бела дня вызывало у него панический страх. Это действительно таинственное и величественное зрелище. Яркое Солнце сияет на синем небел и постепенно солнечный свет начинает ослабевать. На правом краю Солнца появляется ущерб. Он медленно увеличивается,…
А что если и наша звезда — Солнце — вдруг вспыхнет сверхновой? Исчезнет сама и нас вычеркнет из Вселенной навсегда? Как говорят ученые, это событие хотя и возможно, но вероятность его очень мала. Свою энергию звезда получает, постепенно превращая водород в гелий, затем в более тяжелые элементы (углерод, кислород, неон и другие) с помощью цепочки…
Самая крупная планета носит имя верховного бога Олимпа. По объему Юпитер больше Земли в 1310 раз, а по массе — в 318 раз. По расстоянию от Солнца Юпитер на пятом месте, а по блеску он занимает на небе четвертое место после Солнца, Луны и Венеры. В телескоп видна сжатая у полюсов планета с заметным рядом…
Более чем в шести тысячах световых годах от поверхности Земли находится быстро вращающаяся нейтронная звезда — пульсар Чёрная Вдова. У неё есть компаньон, коричневый карлик, которого она постоянно обрабатывает своим мощным излучением. Они обращаются друг вокруг друга каждые 9 часов. Наблюдая за ними в телескоп с нашей планеты, вы можете подумать, что этот смертельный танец никак вас не касается, что вы являетесь лишь сторонним свидетелем этого «преступления». Однако это не так. Оба участника этого действа притягивают вас к себе.
И вы тоже их притягиваете — на расстоянии в триллионы километров, с помощью гравитации. Гравитация — это сила притяжения между любыми двумя объектами, имеющими массу. Это значит, что любой объект нашей Вселенной притягивает любой другой объект, находящийся в ней, и одновременно притягивается к нему. Звёзды, чёрные дыры, люди, смартфоны, атомы — всё это находится в постоянном взаимодействии. Так почему же мы не чувствуем этого притяжения с миллиардов разных сторон?
Причины всего две — масса и расстояние. Уравнение, с помощью которого можно вычислить силу притяжения между двумя объектами, впервые было сформулировано Исааком Ньютоном в 1687 году. Понимание гравитации с тех пор несколько эволюционировало, но в большинстве случаев классическая теория тяготения Ньютона применима для вычисления её силы и сегодня.
Выглядит эта формула так — чтобы узнать силу притяжения между двумя объектами, надо массу одного умножить на массу другого, получившийся результат умножить на гравитационную постоянную, и всё это поделить на квадрат расстояния между объектами. Всё, как видим, довольно несложно. Можем даже немного поэкспериментировать. Если вы удвоите массу одного объекта, сила притяжения увеличится в два раза. Если вы «отодвинете» объекты друг от друга в те же два раза, сила притяжения составит одну четвёртую от того, что была раньше.
Сила притяжения между вами и Землёй тянет вас в направлении центра планеты, и вы ощущаете эту силу, как свой вес. Это значение равно 800 ньютонам, если вы стоите на уровне моря. Но если вы поедете к Мёртвому морю, оно увеличится на небольшую долю процента. Если же вы совершите подвиг и заберётесь на вершину Эвереста, значение снизится — опять-таки крайне незначительно.
Сила притяжения Земли воздействует на МКС, находящуюся на высоте около 400 километров, практически с той же силой, что на поверхности планеты. Если бы эта станция была водружена на огромную неподвижную колонну, основание которой стояло бы на Земле, то сила гравитации на ней составляла бы около 90% от той, что ощущаем мы. Астронавты находятся в невесомости по той простой причине, что МКС постоянно падает на нашу планету. К счастью, станция при этом движется с той скоростью, которая позволяет ей избегать столкновения с Землёй.
Летим дальше — на Луну. Это уже 400000 километров от родного дома. Сила притяжения Земли здесь составляет всего 0.03% от изначальной. Зато в полной мере ощущается гравитация нашего спутника, которая в шесть раз меньше привычной нам. Если вы решите полететь ещё дальше, сила притяжения Земли будет падать, но избавиться от неё окончательно не удастся никогда.
Когда вы находитесь на поверхности нашей планеты, то ощущаете притяжение великого множества объектов — как очень далёких, так и находящихся в непосредственной близости. Солнце, например, притягивает вас к себе с силой пол-ньютона. Если вы находитесь на расстоянии нескольких метров от своего смартфона, то вас тянет к нему не только желание проверить полученные сообщения, но и сила в несколько пиконьютонов. Это приблизительно равно гравитационному притяжению между вами и галактикой Андромеды, находящейся на расстоянии 2.5 миллиона световых лет и имеющей массу в триллионы раз больше, чем у Солнца.
Если же вы хотите совсем избавиться от гравитации, то можете использовать очень хитрый приём. Все массы, что находятся вокруг, постоянно тянут нас к себе, но как они поведут себя, если вы пророете очень глубокую скважину прямо к центру планеты и спуститесь туда, избежав каким-то образом всех опасностей, что могут встретиться на этом длинном пути? Если представить, что внутри идеально сферической Земли есть полость, то сила притяжения к её стенкам будет одинакова со всех сторон. И ваше тело неожиданно окажется в невесомости, в подвешенном состоянии — ровно посередине этой полости. Так что вы можете не чувствовать гравитацию Земли — но для этого надо оказаться ровно внутри неё. Это законы физики, и ничего с ними не поделаешь.
На безграничных просторах интернета я как-то наткнулся на следующую картинку.
Конечно, этот маленький кружок посреди Млечного пути захватывает дух и заставляет задумать о многих вещах, начиная от бренности бытия и заканчивая безграничными размерами вселенной, но все же возникает вопрос: насколько все это соответствует действительности?
К сожалению, составители изображения не указали радиус желтого круга, а оценивать его на глазок - сомнительное занятие. Тем не менее авторы твиттера @FakeAstropix задались таким же вопросом как и я, и утверждают, что эта картинка верна где-то для 99% звезд, видимых на ночном небе.
Другой вопрос заключается в том, а сколько вообще звезд можно увидеть на небе не пользуясь оптикой? Считается, что невооруженным глазом с поверхности Земли можно наблюдать до 6000 звезд. Но в реальности это число будет куда меньше - во первых, в северном полушарии мы физически сможем видеть не больше половины от этого количества (это же справедливо и для жителей южного полушария), во-вторых речь идет об идеальных условиях наблюдения, которых в реальности практически невозможно достичь. Чего только стоит одно световое загрязнение неба. А когда речь идет о самых дальних видимых звездах, то в большинстве случаев чтобы заметить их, нам нужны именно идеальные условия.
Но все же, какие из маленьких мерцающих точек на небе являются наиболее далекими от нас? Вот список, который мне пока что удалось составить (хотя конечно совсем не удивлюсь, если я много чего пропустил, так что не судите строго).
Денеб - самая яркая звезда в созвездии Лебедя и двадцатая по яркости звезда в ночном небе, с видимой звездной величиной +1,25 (считается, что предел видимости для человеческого глаза +6, максимум +6.5 для людей с действительно великолепным зрением). Этот бело-голубой сверхигагинт, который находится от нас на расстоянии от 1500 (последняя оценка) до 2600 световых лет - таким образом, видимый нами свет Денеба был испущен где-то в промежутке между зарождением Римской республики и падением Западной Римской империи.
Масса Денеба больше массы нашей звезды примерно в 200 раз Солнца, а светимость превышает солнечную минимум в 50 000 раз. Находись он на месте Сириуса, он бы сверкал на нашем небе ярче, чем полная Луна.
P Лебедя выделана красным
Мю Цефея известная также как Гранатовая звезда Гершеля - красных сверхгигант, возможно самая крупная звезда, видимая невооруженным глазом. Ее светимость превышает солнечную от 60 000 да 100 000 раз, радиус согласно последним оценкам может быть в 1500 раз больше солнечного. Мю Цефея находится на расстоянии 5500-6000 световых лет от нас. Звезда находится в конце своего жизненного пути и в скором (по астрономическим меркам) времени превратится в сверхновую. Ее видимая звездная величина меняется от +3,4 до +5. Считается, что она является одной из самых красных звезд на северном небе.
Звезда Пласкетта находится на расстоянии 6600 световых лет от Земли в созвездии Единорога и представляет собой одну из самых массивных систем двойных звезд в Млечном пути. Звезда А имеет массу в 50 солнечных и светимость, превышающую светимость нашей звезды в 220 000 раз. Звезда B имеет примерно такую же массу, но ее светимость поменьше - “всего лишь” в 120 000 солнечных. Видимая звездная величина звезды А составляет +6.05 - а значит, теоретически ее можно увидеть невооруженным глазом.
Система Эта Киля находится от нас на расстоянии 7500 - 8000 световых лет. Она состоит из двух звёзд, главная из которых — яркая голубая переменная, является одной из самых больших и неустойчивых звезд в нашей галактике с массой около 150 солнечных, 30 из которых звезда уже успела сбросить. В 17 веке Эта Киля имела четвёртую звёздную величину, к 1730 году она стала одной из самых ярких в созвездии Киля, но к 1782 опять стала очень слабой. Затем, в 1820 году началось резкое увеличение яркости звезды и в апреле 1843 она достигла видимой звёздной величины −0,8, став на время второй по яркости на небе после Сириуса. После этого, яркость Эта Киля стремительно упала, и к 1870 году звезда стала невидимой невооружённым глазом.
Однако, в 2007 году яркость звезды снова выросла, она достигла звездной величины +5 и снова стала видимой. Нынешняя светимость звезды оценивается минимум в миллион солнечных и она по всей видимости является главным кандидатом на звание следующей сверхновой в Млечном пути. Некоторые даже считают, что она уже взорвалась.
В заключение стоит упомянуть, что в истории были случаи, когда люди имели возможность наблюдать куда более далекие звезды. Например, в 1987 в Большом Магеллановом облаке, находящемся от нас на расстоянии 160 000 световых лет, вспыхнула сверхновая, которую можно было видеть невооруженным глазом. Другое дело, что в отличии от всех перечисленных выше сверхгигантов, наблюдать ее можно было в течении куда меньшего промежутка времени.
