Войти в систему
Войти с помощью соц. сетей:
Лестница космических расстояний
1. Сверхкороткие дистанции (до 1 млрд км): лазер, радар, радиоастрономия
На этой ступени расстояние оценивают, измеряя время, которое требуется электромагнитным сигналам, чтобы достичь нас, двигаясь со скоростью 300 000 км/с.
В 1969 г. астронавты корабля Apollo оставили на поверхности Луны специальное зеркало. Лазерный луч проходит путь от Земли до Луны, отражается от зеркала и возвращается обратно. Измеряя время на путь туда и обратно, мы можем рассчитать расстояние до Луны с точностью до одного сантиметра. В среднем Луна удалена от нас на 384 399 км.
Аналогичным образом мы зондируем с помощью радиолокаторов крупные близлежащие планеты и их спутники, засекая время, которое требуется сигналам, чтобы долететь до них, отразиться и вернуться обратно. Это позволяет определить расстояния до них. В дополнение к этому по характерным искажениям отраженных радиосигналов можно судить о вращении тела, его рельефе и даже атмосфере.
Точно так же мы поступаем и с космическими аппаратами, отправленными в дальний космос. Время, необходимое для того, чтобы радиосигнал дошел от них до нас, говорит о том, как далеко они находятся. А искажения сигнала говорят о том, через что он мог пройти по пути к нам.
2. Короткие дистанции (до 30 000 св. лет): параллакс
На этой ступени расстояние оценивают путем измерения хорошо известного оптического эффекта, называемого параллакс. Поднесите палец к носу и посмотрите на него одним глазом — сначала правым, затем левым. Видите, что происходит? Кажется, что палец прыгает слева направо, хотя на самом деле он не движется.
Это и есть параллакс. При изменении угла зрения объект смещается. Величина смещения зависит от расстояния до объекта и расстояния между двумя точками наблюдения.
Чем больше расстояние между вами и объектом, тем меньше параллакс. Вы можете убедиться в этом сами, перемещая палец по направлению к носу и от него, определяя параллакс на каждом шаге. Кроме того, чем больше расстояние между двумя точками наблюдения, тем больше параллакс. Пусть кто-нибудь встанет перед вами, и посмотрите на него одним глазом. Теперь (не открывая глаза) отойдите вбок и обратите внимание на то, что человек относительно фона смещается.
В астрономии телескоп играет роль одного глаза. Чтобы получить эффект двух глаз, можно, например, наблюдать звезду в разное время года (когда Земля находится в противоположных точках своей орбиты). При этом расстояние между точками наблюдения будет большим, а значит, большим будет и параллакс. Величина параллакса говорит о том, как далеко от нас находится звезда.
В настоящее время лучшим инструментом для измерения параллакса является спутник Gaia Европейского космического агентства. На данный момент орбитальный телескоп надежно измерил параллаксы и, соответственно, расстояния до более чем миллиарда звезд. Самые далекие из них находятся на расстоянии около 30 000 св. лет.
3. Средние дистанции (до 200 000 св. лет): свет обычных звезд
На этой ступени расстояние оценивают, используя связь между тремя основными характеристиками любой обычной звезды: цветом, температурой и истинной яркостью (абсолютной звездной величиной).
С помощью спектроскопа — прибора, который разлагает звездный свет, как призма, — можно определить основной цвет звезды и, следовательно, температуру и абсолютную величину.
Голубая звезда при ее более высокой температуре и яркости имеет более значительную абсолютную величину, чем красная. То же самое происходит на вашей газовой плите: синее пламя горячее и ярче, чем красное.
Это, конечно, не точная наука. Только совершив реальное путешествие к звезде, мы можем достоверно измерить ее абсолютную величину. Однако существует множество доказательств, подтверждающих связь между цветом, температурой и абсолютной величиной.
Чтобы понять, как работает эта связь, нужно знать еще одну вещь.
Лампочка, естественно, выглядит очень яркой, если поднести ее прямо к носу. Но по мере удаления от носа она становится все менее и менее яркой.
Ученые обнаружили, что яркость лампочки уменьшается в четыре раза при увеличении расстояния до нее в два раза. (Примечание: одна четвертая равна обратному значению двух в квадрате.) Мы называем это предсказуемое поведение законом обратных квадратов.
На этой ступени закон обратных квадратов сочетается с зависимостью «цвет-температура-яркость».
Предположим, мы смотрим через телескоп в дальний космос и видим обычную зеленую звезду. По цвету мы сразу же узнаем ее абсолютную величину.
Далее, продолжая наблюдать в телескоп, мы с помощью измерителя интенсивности света определяем видимую величину зеленой звезды (т.е. насколько яркой она кажется нам на Земле). Из-за огромного расстояния до нас видимая величина звезды всегда будет меньше ее абсолютной величины.
Наконец, используя закон обратных квадратов, мы можем по уменьшению яркости звезды оценить расстояние, которое должен был пройти ее свет, чтобы достичь нас. Это расстояние напрямую связано с разницей между абсолютной и видимой величиной звезды.
Эта методика позволяет оценить расстояния до всех обычных звезд в нашей галактике Млечный Путь и даже немного за ее пределами. К ним относятся звезды, находящиеся на расстоянии порядка 200 000 световых лет.
4. Дальние дистанции (до 10 млн св. лет): свет экзотических звезд
На этой ступени расстояния оценивают, используя свет пульсирующих звезд, называемых переменными цефеидами. Каждая цефеида мигает с частотой, зависящей от ее абсолютной величины. Чем быстрее звезда мигает, тем меньше ее абсолютная величина.
В целом измерения на этой ступени происходят в три этапа:
С помощью этой методики можно оценить расстояния до галактик, находящихся далеко за пределами Млечного Пути — примерно до 10 000 000 св. лет.
5. Сверхдальние дистанции (до 10 млрд св. лет): галактическое вращение, сверхновые, красное смещение
На последних ступенях расстояния оценивают, делая обоснованные предположения об абсолютных величинах некоторых очень далеких объектов. Я упомяну четыре метода.
Первый связан со спиральными галактиками. Эти гигантские галактики, в том числе и наш Млечный Путь, делают один оборот в несколько сотен миллионов лет. Их точная скорость вращения напрямую связана с абсолютной величиной. Чем быстрее вращается спиральная галактика, тем больше ее абсолютная величина. Мы называем это зависимостью Талли–Фишера.
Таким образом, определив скорость вращения спиральной галактики, мы узнаем ее абсолютную величину. А это, если сравнить ее с видимой величиной, позволяет определить приблизительное расстояние, используя опять же закон обратных квадратов.
Второй метод связан с эллиптическими галактиками. В этих галактиках, имеющих форму мяча для регби, звезды движутся во всех направлениях, как автомобили в гонке на выбывание. Разброс их скоростей коррелирует с абсолютной величиной галактики. Чем больше разброс, тем больше абсолютная величина эллиптической галактики. Мы называем это соотношением Фабер–Джексона.
Выяснив скорости движения звезд в эллиптической галактике, мы можем судить о ее абсолютной величине. Сравнивая ее с видимой величиной, можно определить ее приблизительное расстояние по закону обратных квадратов.
Третий метод связан со сверхновыми — умирающими звездами, которые покидают мир в сиянии славы. Детали конечного поведения сверхновой напрямую связаны с ее абсолютной величиной. Внимательно наблюдая за процессом гибели сверхновой, мы можем судить о ее абсолютной величине. Сравнивая ее с видимой величиной, можно определить приблизительное расстояние по закону обратных квадратов.
Четвертый метод связан с открытием американского астронома Эдвина Хаббла. Почти столетие назад он обнаружил, что галактики разлетаются друг от друга, словно осколки мощного взрыва. Это привело к появлению современной теории Большого взрыва и всех ее вариаций.
Хаббл обнаружил, что скорость убегания галактики напрямую зависит от ее расстояния до нас. Чем больше расстояние, тем выше скорость. Этот закон получил имя своего открывателя. Измеряя скорость убегания галактики, можно с помощью закона Хаббла определить расстояние до нее.
Эти четыре метода дают нам возможность оценивать расстояния в самых дальних областях Вселенной. Областей, удаленных от нас на 10 млрд св. лет. Это 95 миллиардов триллионов километров от планеты Земля!
Войти с помощью соц. сетей: