Исследование открытого космоса в современных реалиях. Навигация. Световой год и времяисчисление в космосе
Исследование открытого космоса
Человек по натуре своей очень любопытен и ему важно знать, что его окружает. К счастью, Вселенная не безмолвна. Все процессы в космосе сопровождаются различными явлениями, последствия которых мы можем наблюдать, прежде всего, в виде электромагнитных волн. Улавливая и в дальнейшем обрабатывая их, мы узнаем о событиях происходящих в космосе. Помогают нам в этом телескопы. Мы поговорим о самых известных телескопах.
Телескопы видимого диапазона
Оптические телескопы или телескопы видимого (оптического) диапазона самые распространённые и популярные телескопы и по сей день. Именно при помощи этих телескопов были сделаны первые открытия (1781 год, Уильям Гершель обнаружил Уран - седьмая планета от Солнца в солнечной системе). Отличительной особенностью этого типа телескопов является то, что он способен улавливать только видимый свет. По сути, данный вид телескопов предоставляет нам увеличенное изображение небесных тел. Обнаружение волн инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов для него недоступно.
Very Large Telescope
Один из самых больших телескопов на планете. Это целый комплекс из четырех основных и такого же количества вспомогательных телескопов. Расположены эти телескопы в Паранальской обсерватории – одной из самых известных в мире астрономических обсерваторий. Находится она в Южной Америке – в Чили. Здесь, на вершине горы Серро-Параналь, в пустыне Атакама, отличные условия для наблюдения неба, высокий показатель прозрачности атмосферы и большое количество ясных дней.
Первый из четырех основных телескопов VLT ввели в эксплуатацию в 1998 году. Оставшиеся три телескопа были достроены к 2000 году. Все они имеют одинаковые зеркала диаметром 8,2 метра. Объединение четырех зеркал позволило получить телескоп, эквивалентный по площади телескопу с одиночным зеркалом диаметром 16,4 м.
Еще четыре вспомогательных телескопа имеют диаметры зеркал 1,8 метра. Они могут перемещаться по рельсам вокруг основных телескопов и предназначены для интерферометрических наблюдений. VLT позволяет вести наблюдения в широком спектре электромагнитных волн: как в видимом диапазоне и ближнем ультрафиолетовом, так и в ближнем и среднем инфракрасных.
Первый из четырех основных телескопов VLT ввели в эксплуатацию в 1998 году. Оставшиеся три телескопа были достроены к 2000 году. Все они имеют одинаковые зеркала диаметром 8,2 метра. Объединение четырех зеркал позволило получить телескоп, эквивалентный по площади телескопу с одиночным зеркалом диаметром 16,4 м.
Еще четыре вспомогательных телескопа имеют диаметры зеркал 1,8 метра. Они могут перемещаться по рельсам вокруг основных телескопов и предназначены для интерферометрических наблюдений. VLT позволяет вести наблюдения в широком спектре электромагнитных волн: как в видимом диапазоне и ближнем ультрафиолетовом, так и в ближнем и среднем инфракрасных.
Телескоп Hubble
Телескоп «Хаббл» – совместный американо-европейский проект. Это первая из четырех Больших космических обсерваторий NASA, каждая из которых предназначена для изучения космоса в своей области электромагнитного спектра. «Хаббл» «видит» небо в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном спектрах. Запущен он был на низкую околоземную орбиту (569 км) в 1990 году челноком «Дискавери».
Один из самых прославленных телескопов современности. До сих пор является одним из самых передовых и активно используется в изучении космических пространств.
Диаметр основного зеркала «Хаббла» – 2,4 м, фокусное расстояние телескопа – 57,6 м. Сам телескоп представляет собой рефлектор системы Ричи–Кретьена (В этой системе параллельные пучки света, идущие от звёзд, падают на главное вогнутое гиперболическое зеркало, отражаются на вторичное выпуклое гиперболическое зеркало, собираются позади него, образуя изображение).
Один из самых прославленных телескопов современности. До сих пор является одним из самых передовых и активно используется в изучении космических пространств.
Диаметр основного зеркала «Хаббла» – 2,4 м, фокусное расстояние телескопа – 57,6 м. Сам телескоп представляет собой рефлектор системы Ричи–Кретьена (В этой системе параллельные пучки света, идущие от звёзд, падают на главное вогнутое гиперболическое зеркало, отражаются на вторичное выпуклое гиперболическое зеркало, собираются позади него, образуя изображение).
Фотографии, полученные благодаря наблюдениям космического телескопа Hubble
Arp 273 – группа взаимодействующих галактик в созвездии Андромеды, изображение телескопа Hubble
На этом изображении, полученным космическим телескопом Hubble, разбросаны рассеянные звезды шарового скопления NGC 6355
Галактика NGC 1961 раскрывает свои великолепные спиральные рукава на этом изображении, полученном космическим телескопом Hubble.
Телескоп James Webb (Джеймс Уэбб)
"James Webb" – в первую очередь космическая обсерватория инфракрасного диапазона. Диаметр главного зеркала новой обсерватории – 6,5 метров. Это минимальный размер зеркала, позволяющий увидеть свет от самых далеких галактик.
Проект — результат международного сотрудничества 17 стран, во главе которых стоит НАСА, со значительным вкладом Европейского и Канадского космических агентств.
25 декабря 2021 года телескоп был успешно запущен с космодрома Куру при помощи ракеты "Ариан-5". Первые научные исследования начались летом 2022 года.
9 января 2022 года телескоп успешно развернул все свои системы и перешёл в полностью операционное состояние, а 24 января 2022 года он успешно вышел на гало-орбиту в точке Лагранжа системы Солнце — Земля, в 1,5 млн км от Земли. Охлаждение до рабочей температуры заняло несколько недель, а затем начались окончательные процедуры калибровки в течение примерно 5 месяцев, возможно, включая получения первого света Вселенной после "тёмных веков", перед началом запланированной исследовательской программы.
Одна из основных задач телескопа: обнаружение света первых звёзд и галактик, сформированных после Большого взрыва, изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Джеймсу Уэббу предстоит выяснить, как выглядели галактики во временном периоде начиная с 400 тыс. лет после Большого взрыва до 400 млн лет после Большого взрыва.
Проект — результат международного сотрудничества 17 стран, во главе которых стоит НАСА, со значительным вкладом Европейского и Канадского космических агентств.
25 декабря 2021 года телескоп был успешно запущен с космодрома Куру при помощи ракеты "Ариан-5". Первые научные исследования начались летом 2022 года.
9 января 2022 года телескоп успешно развернул все свои системы и перешёл в полностью операционное состояние, а 24 января 2022 года он успешно вышел на гало-орбиту в точке Лагранжа системы Солнце — Земля, в 1,5 млн км от Земли. Охлаждение до рабочей температуры заняло несколько недель, а затем начались окончательные процедуры калибровки в течение примерно 5 месяцев, возможно, включая получения первого света Вселенной после "тёмных веков", перед началом запланированной исследовательской программы.
Одна из основных задач телескопа: обнаружение света первых звёзд и галактик, сформированных после Большого взрыва, изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Джеймсу Уэббу предстоит выяснить, как выглядели галактики во временном периоде начиная с 400 тыс. лет после Большого взрыва до 400 млн лет после Большого взрыва.
Фотографии, полученные благодаря наблюдениям космического телескопа James Webb
Туманность Киля
Этот пейзаж из «гор» и «долин», усыпанных сверкающими звездами, на самом деле является краем соседней молодой области звездообразования под названием NGC 3324 в туманности Киля. Это изображение, полученное в инфракрасном свете новым космическим телескопом НАСА имени Джеймса Уэбба, впервые показывает невидимые ранее области рождения звезд.
Квинтет Стефана, визуальная группа из пяти галактик
Благодаря мощному инфракрасному видению и чрезвычайно высокому пространственному разрешению Уэбб показывает невиданные ранее детали в этой группе галактик. Сверкающие скопления миллионов молодых звезд и области звездообразования недавно родившихся звезд украшают изображение. Широкие хвосты газа, пыли и звезд вытягиваются из нескольких галактик из-за гравитационных взаимодействий.
Туманность "Южное кольцо"
Более тусклая звезда в центре этой сцены на протяжении тысячелетий испускала кольца газа и пыли во всех направлениях, и космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба впервые показал, что эта звезда покрыта пылью. Две камеры на борту Уэбба сделали последнее изображение этой планетарной туманности, внесенной в каталог как NGC 3132 и неофициально известной как туманность Южное кольцо. Она находится примерно в 2500 световых годах от нас.
Гравитационное линзирование
Гравитационная линза — массивное тело (планета, звезда, галактика, скопление галактик, скопление тёмной материи), изменяющее своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения, подобно тому как обычная линза изменяет направление светового луча.
Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, представляют собой достаточно большие сосредоточения массы: галактики и скопления галактик. Более компактные объекты — например, звёзды — тоже отклоняют лучи света, однако на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение в большинстве случаев не представляется возможным. В этом случае можно обычно лишь заметить кратковременное увеличение яркости объекта-линзы в тот момент, когда линза пройдёт между Землёй и фоновым объектом. Гравитационное линзирование действует одинаково на все виды электромагнитного излучения, не только на видимый свет.
Подобные явления помогают человеку заглянуть в далекие глубины космоса, так как такие линзы дают возможность исследовать очень далекие объекты.
Как правило, гравитационные линзы, способные существенно исказить изображение фонового объекта, представляют собой достаточно большие сосредоточения массы: галактики и скопления галактик. Более компактные объекты — например, звёзды — тоже отклоняют лучи света, однако на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение в большинстве случаев не представляется возможным. В этом случае можно обычно лишь заметить кратковременное увеличение яркости объекта-линзы в тот момент, когда линза пройдёт между Землёй и фоновым объектом. Гравитационное линзирование действует одинаково на все виды электромагнитного излучения, не только на видимый свет.
Подобные явления помогают человеку заглянуть в далекие глубины космоса, так как такие линзы дают возможность исследовать очень далекие объекты.
Гравитационное линзирование на примере скопления галактик
Скопление галактик SMACS JO723.3-7327. Фото, сделанное при помощи телескопа James Webb. Эффект гравитационного линзирования
Навигация в астрономии
Полярная звезда
Астрономическая навигация — комплекс методов определения навигационных параметров объекта, основанный на использовании электромагнитного излучения астрономических объектов. Применяется для определения курса и навигационных координат у наземных объектов, а также для определения ориентации космических летательных аппаратов.
Простейшие методы астрономической навигации используются людьми на Земле для ориентирования на неизвестной местности, поскольку для их использования не требуется каких-либо приспособлений. В Северном полушарии, например, направление на географический север можно узнать по положению на небосклоне Полярной звезды, а по положению Солнца в полдень можно приближённо определить направление на географический юг. Один из главных недостатков астрономической наземной навигации — зависимость от облачности.
Ранее астрономическая навигация являлась основным способом определения координат и курса морских судов, с использованием показаний таких приборов как секстант и хронометр. Сейчас в морской и воздушной навигации практически полностью вытеснена спутниковыми навигационными системами, но из-за высокой степени автономности является резервной.
Простейшие методы астрономической навигации используются людьми на Земле для ориентирования на неизвестной местности, поскольку для их использования не требуется каких-либо приспособлений. В Северном полушарии, например, направление на географический север можно узнать по положению на небосклоне Полярной звезды, а по положению Солнца в полдень можно приближённо определить направление на географический юг. Один из главных недостатков астрономической наземной навигации — зависимость от облачности.
Ранее астрономическая навигация являлась основным способом определения координат и курса морских судов, с использованием показаний таких приборов как секстант и хронометр. Сейчас в морской и воздушной навигации практически полностью вытеснена спутниковыми навигационными системами, но из-за высокой степени автономности является резервной.
Секстант и хронометр
Секстант и хронометр раньше активно использовали в морской навигации. Вместе с этими приборами мореплаватели также применяли компас, альманах, содержащий информацию о небесных телах и созвездиях, что давало возможность ориентироваться в ночном небе, и географическую карту. Взаимодействие этих инструментов на практике помогало мореплавателям не потеряться посреди океана и не сойти с намеченного курса.
Секстант позволял измерить положение небесного тела над горизонтом.
Морской хронометр использовался для определения долготы путем сравнения среднего времени по Гринвичу и времени в текущем местоположении корабля, полученного из наблюдений за небесными телами.
(Слева изображен секстант, справа - хронометр)
Секстант позволял измерить положение небесного тела над горизонтом.
Морской хронометр использовался для определения долготы путем сравнения среднего времени по Гринвичу и времени в текущем местоположении корабля, полученного из наблюдений за небесными телами.
(Слева изображен секстант, справа - хронометр)
Работа современных навигационных систем. Навигатор в твоем телефоне.
В основе спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС лежат наблюдения квазаров. Для этого изобретена особая технология — радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой, или РСДБ.
Орбиты навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС, которые служат определению координат объектов на Земле, постоянно меняются. Влияние тяготения Луны, Солнца и планет еще можно предвычислить, но есть и негравитационные факторы — сопротивление атмосферы Земли, простирающейся до спутниковых орбит, воздействие геомагнитного поля, солнечного ветра, дегазация и тепловое излучение самих аппаратов. Орбиты навигационных спутников приходится постоянно уточнять. Делается это путем определения расстояний от спутников до опорных станций GPS-сети. Но ведь сами эти станции располагаются на колеблющейся поверхности неравномерно вращающейся планеты. К чему привязаны они? Надежной опорой теперь служат квазары, находящиеся на космологических расстояниях и потому не меняющие своего положения на небе. РСДБ-наблюдения квазаров положены в основу фундаментальной системы координат, к которой привязываются все остальные координатные и навигационные службы. Опорные пункты GPS и станции лазерной локации спутников рекомендуется ставить рядом с радиотелескопами.
В основе спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС лежат наблюдения квазаров. Для этого изобретена особая технология — радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой, или РСДБ.
Орбиты навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС, которые служат определению координат объектов на Земле, постоянно меняются. Влияние тяготения Луны, Солнца и планет еще можно предвычислить, но есть и негравитационные факторы — сопротивление атмосферы Земли, простирающейся до спутниковых орбит, воздействие геомагнитного поля, солнечного ветра, дегазация и тепловое излучение самих аппаратов. Орбиты навигационных спутников приходится постоянно уточнять. Делается это путем определения расстояний от спутников до опорных станций GPS-сети. Но ведь сами эти станции располагаются на колеблющейся поверхности неравномерно вращающейся планеты. К чему привязаны они? Надежной опорой теперь служат квазары, находящиеся на космологических расстояниях и потому не меняющие своего положения на небе. РСДБ-наблюдения квазаров положены в основу фундаментальной системы координат, к которой привязываются все остальные координатные и навигационные службы. Опорные пункты GPS и станции лазерной локации спутников рекомендуется ставить рядом с радиотелескопами.
Работа технологии РСДБ (Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой)
Гравитация в космосе. Искажение пространства и времени
Но и по неподвижным квазарам построить высокоточную систему координат совсем не просто. Про движения земной коры и неравномерности вращения планеты уже сказано. Но приходится также учитывать ионосферную задержку радиосигнала, зависящую от солнечной активности, и преломление радиоволн в атмосфере, зависящее от ее давления, температуры и влажности. И даже еще не достигнув Земли, волновой фронт искажается под влиянием гравитационных полей Солнца, Луны и планет, так что в РСДБ-наблюдениях учитываются и эффекты общей теории относительности Эйнштейна. Без учета искривления пространства и времени навигатор в вашем смартфоне не работал бы так точно. Трудно вообразить, сколь далекие небесные тела содействуют определению ваших координат на Земле. Они вычисляются по положению навигационных спутников, спутники привязаны к опорным станциям на Земле, а станции — через радиотелескопы — к квазарам, сияющим в миллиардах световых лет от нашей планеты. Благодаря системе РСДБ именно они сего дня являются фундаментом всех координатных задач.
Благодаря технологии РСДБ удалось не только создать точные системы спутникового геопозиционирования, но и пронаблюдать эффект галактической аберрации, связанный с вращением нашей Солнечной системы вокруг центра Галактики, изучить явления, происходящие в земной коре. Наконец, радиоинтерферометрия используется в межпланетных исследованиях. С такой измерительной методикой движения материков и даже галактик становятся столь же отчетливыми, как движения планет и звезд для астрономов прежних поколений.
Благодаря технологии РСДБ удалось не только создать точные системы спутникового геопозиционирования, но и пронаблюдать эффект галактической аберрации, связанный с вращением нашей Солнечной системы вокруг центра Галактики, изучить явления, происходящие в земной коре. Наконец, радиоинтерферометрия используется в межпланетных исследованиях. С такой измерительной методикой движения материков и даже галактик становятся столь же отчетливыми, как движения планет и звезд для астрономов прежних поколений.
Световой год. Время в космосе
Световой год – это расстояние, которое луч света проходит за один земной год. Такое определение может удовлетворить любителя, но специалист по космологии сочтет его неполным. Он заметит, что световой год – это не просто расстояние, которое свет проходит за год, а расстояние, которое луч света за 365,25 земных дня проходит в вакууме, не испытывая на себе влияние магнитных полей.
Световой год, как было сказано - единица исчисления расстояния в космосе, причем очень часто используется как в любительской, так и в научной астрономии. Но в научной астрономии довольно часто используют такую внесистемную единицу расстояния как парсек, который равен примерно 3,26 световым годам.
Световой год равен 9,46 триллионам километров. Именно такое расстояние луч света проходит за год.
Световой год, как было сказано - единица исчисления расстояния в космосе, причем очень часто используется как в любительской, так и в научной астрономии. Но в научной астрономии довольно часто используют такую внесистемную единицу расстояния как парсек, который равен примерно 3,26 световым годам.
Световой год и примеры расстояний в световых годах
Световой год, как уже было сказано - это, по сути, расстояние, которое походит свет за год. Не секрет, что существуют также световые минуты и секунды. Ввиду того, что свету нужно время, чтобы добраться до нас, то и объекты, которые мы видим на небе, то видим их в прошлом. Например, свету нужно примерно 8 минут, чтобы добраться от Солнца до Земли - это значит, что если Солнце внезапно исчезнет, то мы узнаем об этом только через 8 минут после его исчезновения. Так работает и с другими небесными телами. Альфа Центавра A, B и C (Проксима Центавра), расположенные в 4,3 световых годах от нашего светила, подпадают под эту же систему как и все объекты во Вселенной, то есть мы видим пошлое этих звезд: 4,3 года назад их состояние было таковым. Соответственно, если расстояние до объекта исчисляется миллионами и миллиардами световых лет (квазары, отдаленные галактики), то, в теории, некоторые из них уже могут не существовать.
Самые популярные примеры расстояний в световых годах:
Самые популярные примеры расстояний в световых годах:
- Один световой год равен 63 241,077 астрономическим единицам и 0,306 601 парсеку;
- Расстояние от Земли до Луны составляет 4·10−8 световых лет или 380 тыс. км. То есть, лучу света, посланному с Земли, необходимо всего 1,3 секунды, чтобы туда долететь;
- Центр галактики Млечный Путь расположен от Солнца на расстоянии 26 тыс. световых лет.;
- Солнечному свету требуется примерно 5 часов для того, чтобы достичь Плутона – одного из наиболее отдаленных объектов Солнечной системы;
- Ближайшая к нам галактика Андромеда находится на расстоянии 2,5 млн. световых лет.
Ближайшие соседи Солнца
Точная скорость света
Джеймс Клерк Максвелл
Точную скорость света ученым удалось определить только в прошлом веке. Основываясь на теории электромагнетизма Максвелла, при помощи современной лазерной техники и вычислений с поправкой на коэффициент преломления лучевого потока в воздухе, ученым удалось вычислить точную величину скорости света 299 792,458 км/с. Этой величиной астрономы пользуются до сих пор. Дальше определить световой день, месяц и год было уже делом техники. Путем нехитрых вычислений ученые получили цифру 9,46 триллионов километров – именно столько времени потребовалось бы лучу света для того, чтобы облететь длину земной орбиты.
Теория электромагнетизма Максвелла:
Единая теория электрических и магнитных явлений, возникшая как переложение идей Фарадея на строгий математический язык. Основу теории электромагнетизма Максвелла составляют уравнения электромагнитного поля.
Первые два уравнения Максвелла утверждают, что электрическое поле создается двумя путями:
Теория электромагнетизма Максвелла:
Единая теория электрических и магнитных явлений, возникшая как переложение идей Фарадея на строгий математический язык. Основу теории электромагнетизма Максвелла составляют уравнения электромагнитного поля.
Первые два уравнения Максвелла утверждают, что электрическое поле создается двумя путями:
- электрическими зарядами (в этом случае силовые линии начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах);
- переменным магнитным полем (в этом случае электрическая силовая линия замкнута и охватывает меняющийся магнитный поток).
- магнитное поле не имеет источников (нет магнитных зарядов);
- магнитное поле создается электрическими токами и переменным электрическим полем.
Время в космосе. Теория относительности
До научных открытий, совершенных ученым Альбертом Эйнштейном, время считалось неизменной величиной. Люди думали, что оно всегда и везде протекает одинаково.
Все изменила Общая теория относительности — согласно данному научному труду, пространство и время связаны друг с другом, а минуты и секунды отсчитываются неодинаково для тел движущихся и находящихся в состоянии покоя.
Существует 2 основополагающих принципа, вытекающих из Общей теории относительности:
Можно сделать и такой вывод: рядом с крупными объектами время идет медленнее, а вдали от них, в пространстве без звезд и черных дыр, — быстрее.
Все изменила Общая теория относительности — согласно данному научному труду, пространство и время связаны друг с другом, а минуты и секунды отсчитываются неодинаково для тел движущихся и находящихся в состоянии покоя.
Существует 2 основополагающих принципа, вытекающих из Общей теории относительности:
- Гравитационные поля создают пространственно-временное искривление.
- Для каждого объекта, находящегося в движении, время идет медленнее, чем для того, который остается в покое.
Можно сделать и такой вывод: рядом с крупными объектами время идет медленнее, а вдали от них, в пространстве без звезд и черных дыр, — быстрее.
Пространственно-временное искривление
Перед тем как двигаться дальше, советую закрепить материал, пройдя тест, который находится по ссылочке ниже
Мы закончили с тем, как изучают космос; применяют знания в повседневной жизни о нем и его объектах; а также немного разобрались с космическим пространством и течением времени в нем.
Далее мы поговорим об одних из самых часто встречающихся объектов в космосе. И, само собой, речь идет о звездах.
Далее мы поговорим об одних из самых часто встречающихся объектов в космосе. И, само собой, речь идет о звездах.
Звезды как объекты космического пространства. Эволюция звезд
