Расстояния в космосе: Измерение расстояний в астрономии — все самое интересное на ПостНауке

Содержание

Как измеряют расстояния в космосе

Огромность вселенной

Космос у астрономов всегда будет двухмерным, несмотря на утверждения физиков о трех или десятимерности окружающего пространства вне Земли. Расстояние между объектами – это источник для изучений астрономии и физики. Это на экране в кино мы видим разницу между далеким и близким, потому что знакомы с реальной вещью. А вот со звездами все немного сложнее. Чтобы понять физическую энерию и природу объекта, необходимо вычислить километраж к нему.

Измерение расстояний в астрономии — Алексей Расторгуев

Причины разных дистанций между объектами

Основная характеристика скоплений всех звезд приблизительно идентична. Единственное отличие – это разная дистанция между ними. Геометрический метод помогает определить длину от нас до ближайшего скопления звезд. А сравнив данные по другим скоплениям, уже измеренным расстояниям, можно узнать дистанцию между ними.

Владимир Сурдин: Вселенная — наш космический дом

Яркость спиралевидного пространства непосредственно влияет на ее вращение. Галактика видна нам под определенным углом, соответственно, одна ее половина вращается, приближаясь к нам, а другая отдаляясь. А из-за расширения её спектральной линии снижается видимость и яркость, поэтому сложнее измерить расстояние.

QWERTY. Расхождение значений постоянной Хаббла

Интересное ТV. Наша Вселенная и её размеры. Познавательный фильм о мироздании, космосе и Вселенной.

Метод так званого параллакса

Неточности космических расстояний создает проблему излучения жестких и коротких импульсов разного направления и поступавших на Землю каждые сутки. Поэтому еще в 90-х годах 20 века разработан спутник Гиппарха, который за годы работы установил длину пути к 120 000 звезд SPL. Он работает благодаря элементарному методу триангуляции, который широко используется в геодезии. Астрономия называет это явление параллактическим сдвижением или параллаксом. То-есть, выбирается база, отрезок с определенной длиной, от него измеряется расстояние ко всем углам неизвестной точки, в последствии, она двигается на фоне уже известных объектов в космосе.

Как измерить расстояние в космосе?

История методологии

Чтобы измерять длину пути к звездам, астрономам необходимо взять доступную основу с таким же диаметром как орбита Земли. Первым к этому методу обратился Тихо Браге, который поставил под сомнение версию Коперника о круговороте планеты Земля. Но одна минута дуги в 16 веке была абсолютно мизерной для измерения параллактического смещения. Потому он и увенчал теорию Коперника неверной. Спустя 100 лет Джеймс Брэдли наблюдал за гаммой звезд Дракона и пришел к выводу, что они колеблются вокруг своего положение до 20 секунд в год. Скорость летящего от звезды света равна скорости передвижения Земли по своей орбите. Но и тем не менее, он забросил эти исследования, поскольку не смог найти ничего общего с параллаксом. Да и не нашел бы. И только в средине 19 века в трех разных точках всего мира вновь возобновилось изучение и разработка измерений огромных дистанций в космосе.

Огромные расстояния в космическом пространстве

Единицы измерения расстояния

Парсек – стала официальной специальной единицей измерения расстояний в космосе, благодаря параллаксу у профессиональных астрономов. Поэтому единица расстояний до неизвестной звезды разделяется на параллакс в секунду. Например, дина пути к альфа Центавру равна 1,3 парсека (1/0,76).

Единица измерения определяет расстояние, под каким углом виден радиус орбиты за 1 секунду.

3 светового года = 1 пк. Известны еще килопарсек (= 1000 пк), мегапарсек (= 1 млн парсекв). Но стоит заметить, что в основном она применяется для установки дистанций между объектами, которые располагаются вне галактики, поскольку они дают наиболее верные результаты.

Другая единица измерения – световой год. Это расстояние динамического передвижения света за год со скоростью 300 тысяч км/сек. Например проксима Кентавра, ближняя звезда к Солнцу, находится от Земли в 4 световых годах, а Андромедова галактика – около 2 млн световых лет.

Процесс измерения

Ближайшая звезда к Земле наблюдается космическими спутниками в разных местах и смещается на тле более дальних звезд. Это и есть основная и наиболее современная методология вычисления дистанций объектов в космосе.

Выбрав две точки, максимально отдаленных друг от друга, совершается наблюдение и измерение. Земля находится в 155 млн км от Солнца, то наблюдения с разрывом в пол года будут происходить из 2-х мест в галактике, на дистанции в 300 млн км, равной двум радиусам орбиты нашей планеты. Высчитав угол сдвижения звезды с места, рассчитывается расстояние к ней с помощью тригонометрии.

Как результат, параллаксы звезды – это прямоугольные треугольники, а их гипотенузы равны дистанции Солнца к звезде, а катет – половина оси орбиты Земли.

На самом деле, эти цифирные выводы не так элементарны, как методы. Углы, которые поддаются измерениям, очень мелкие из-за огромного их расстояния к звездам. Параллакс одного года позволяет мерять расстояние не больше, чем сотню световых лет от планеты.

Естественно, каждая ступень измерений расстояния любой точки в космосе от Земли богата на погрешности. Но в общем, масштаб галактики в наше время измерен и изучен довольно-таки точно и перепроверен ни одним методом. Поэтому можно уже говорить о дальнейших измерениях дистанций к другим галактикам.

Владимир Сурдин. Измерения на небесной сфере и в пространстве.

Как измеряются расстояния в космосе

Вселенная огромна, но астрономы на удивление хорошо научились определять расстояния до различных космических объектов. Так, например, дистанция до нашего естественного спутника измерена настолько точно, что мы знаем об её увеличении приблизительно на 3.8 сантиметра в год. Но ученые также могут определять дислокацию невероятно далеких объектов.

В этих целях используется совокупность множества разных способов, которые образуют так называемую «шкалу расстояний в астрономии» или, если переводить дословно с английского, «космическую лестницу». И если в нижней части этой «стремянки» находится дистанция до Луны, то в верхней – путь до самых отдаленных галактик.

Пример «космической лестницы»

Немного истории

Люди научились измерять расстояния в пределах нашей звездной системы тысячелетия назад. Древнегреческий астроном Гиппарх во время солнечного затмения с помощью обычной тригонометрии вычислил дистанцию до Луны. Известно, что это астрономическое явление в конкретный момент времени выглядит по-разному в тех или иных точках Земли.

Подобный феномен легко иллюстрируется на одном наглядном примере. Прищурьте глаз, вытяните руку, поднимите вверх большой палец и запомните, какую точку на стене он закрывает. Затем посмотрите на тот же палец вторым своим оком. Попробовали? Это будет уже другой кусок обоев. Данный эффект называется параллаксом, и во время солнечного затмения Луна ведет себя подобно пальцу из обрисованного практического опыта, в то время как отдаленные друг от друга города являются, условно, участками стены.

Убедиться в том, что для измерения расстояния до Луны достаточно только школьных знаний, можно с помощью этого видео

Таким образом, зная, какая часть Солнца была закрыта Луной в одном населенном пункте, когда в другом было полное затмение, Гиппарх определил расстояние от Земли до её спутника. Причем сделал это весьма точно!

А как обстоят дела сегодня?

Сегодня дистанция до Луны легко измеряется с помощью лазерного луча – надо просто засечь время, за которое он достигнет её, отразится и вернется. Зная скорость света, искомое значение можно получить с помощью обычного математического деления. В пределах Солнечной системы эта технология работает идеально. Она не только позволяет точно определить местонахождение тех или иных объектов, но и подтверждает, что старая добрая тригонометрия отличается точностью и надежностью.

Однако лазерные измерения работают не всегда. В частности, этот метод невозможно использовать в случае с Солнцем, испускающим собственный свет, а также для объектов, находящихся за пределами нашей системы.
Для близких звезд оптимальным способом определения расстояния остается тригонометрия – астрономы до сей поры используют метод параллакса, знакомый ещё древним грекам.

Просто в этом случае он применяется в гораздо более крупном масштабе. В процессе движения нашей планеты по орбите вокруг Солнца звезды на небосводе смещаются – естественно, с точки зрения земного наблюдателя. Если посмотреть на них, находясь на «зимней» и «летней» стороне от нашего светила, близкие звезды заметно сдвинутся, в то время как дальние останутся на прежнем месте. По величине этого смещения можно весьма точно определить дистанцию до искомых небесных тел.

Параллакс позволяет надежно измерять расстояния в радиусе около 3000 световых лет, однако для определения местоположения более дальних объектов приходится забираться на следующую ступеньку «космической лестницы». Впервые это было сделано в начале 20 века, когда американский астроном Генриетта Свон Ливитт открыла интереснейшее свойство пульсирующих переменных звезд, которые стали называться цефеидами. Отличает их строгая корреляция между светимостью и периодичностью колебаний. Какими бы тусклыми они ни казались земному наблюдателю, по частоте пульсаций можно надежно вычислить их истинную яркость, которая, в свою очередь, прямо указывает на расстояние.

Пример свечения цефеида в разное время

Эти звезды стали первыми в истории астрономии «стандартными свечами». Под этим термином сегодня понимается любой объект с постоянной абсолютной яркостью, позволяющей определить расстояние от земного наблюдателя до источника света. Кстати, всего через 15 лет после открытия Генриэтты Ливитт Эдвин Хаббл с помощью цефеид измерил дистанцию до объектов, находящихся далеко за пределами нашей галактики и впервые доказал, что Млечный Путь – это далеко не вся Вселенная!

Сегодня в распоряжении астрономов имеется много видов стандартных свечей. Их поиск обуславливался естественной потребностью, так как цефеиды не очень ярки и их далеко не всегда можно обнаружить в том или ином участке космоса. В наши дни в этом качестве используются даже сверхновые. При определенных условиях стандартными свечами становятся целые галактики – известно, что чем они ярче, тем быстрее вращаются, и это тоже воспринимается как некая точка отсчета.

Особую сложность представляют объекты, расположенные в нескольких миллиардах световых годах от нас, а также те, что не содержат известных стандартных свечей. В этом случае астрономам приходится проявлять всю свою изобретательность. Они могут попытаться вычислить расстояние по значению красного смещения или по искажению света гравитацией очень массивных объектов. В общем и целом, универсального решения в этих случаях не существует.

Радует то, что космическая лестница продолжает нарастать новыми ступеньками. Это может показаться невероятным, но в большинстве случаев ученые уверены в точности своих вычислений, несмотря на то, что космические дистанции до абсурда огромны. Связано это с тем, что методы, применяющиеся в рамках шкалы расстояний, часто дополняют друг друга, позволяя перепроверять и корректировать полученный результат.

То есть, по большому счету, наука уже сегодня способна измерить дистанцию практически до любого объекта в космосе – от Луны до самого края Вселенной. И это невероятно!

Подписывайтесь на T4S.TECH в Telegram, чтобы оставаться в курсе самых интересных новостей из мира технологий и не только.

Расстояния в космосе

Чтобы понимать расстояния в космосе, вы должны знать об общих единицах измерения, таких как астрономическая единица (а. е.) и световых года (св. лет).

1 астрономическая единица (а.е.) — это среднее расстояние от Солнца до Земли, равное примерно 150 млн км (93 млн миль).
1 световой год (св. лет) — это расстояние, которое фотон света может пройти через космический вакуум за один земной год, примерно 90,5 трлн км (5,9 трлн миль).

Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с единицами измерения урока в пространстве.

Чтобы визуализировать расстояния в космосе, также полезно иметь несколько примеров из реальной жизни, чтобы представить, как быстро вам нужно будет путешествовать, чтобы куда-то добраться. Мне нравится использовать эти:

Автомобиль, едущий по открытой дороге (100 км/ч)

Коммерческий реактивный самолет (1000 км/ч)
Самый быстрый автоматический космический корабль (250 000 км/ч)
Скорость света (1 079 252 848 800 (1 триллион) км/ч)

Примечания:

Роботизированные космические корабли могут летать намного быстрее, чем космические корабли с людьми, поэтому человеческому экипажу потребуется намного больше времени, чтобы добраться куда-либо.
Скорость автомобилей, самолетов и космических кораблей полезна, когда мы говорим о вещах в пределах Солнечной системы, но когда вы выходите в галактику и Вселенную, скорость света становится единственной практичной.

Теперь давайте посмотрим на некоторые важные расстояния в космосе, начнем с Земли и продолжим дальше…

Земля и Луна

Окружность Земли составляет 40 000 км. Чтобы совершить кругосветное путешествие по экватору, потребуется следующее время:

Автомобиль: 16,7 дня
Самолет: 1,7 дня
Роботизированный космический корабль: 9½ минут
Скорость света: 0,133 секунды

Луна вращается вокруг Земли на среднем расстоянии 384 400 км, что примерно в десять раз превышает расстояние вокруг экватора Земли. Путешествие с Земли на Луну заняло бы столько времени:

Автомобиль: 160 дней (почти полгода)
Самолет: 16 дней
Роботизированный космический корабль: 93 минуты (космический корабль с пассажирами займет около 3 дней)
Скорость света: 1,28 секунды

Как отмечалось ранее, если бы Земля была размером с баскетбольный мяч, Луна была бы размером с теннисный мяч. Что удивляет большинство людей, так это то, что теннисный мяч будет вращаться вокруг баскетбольного мяча на расстоянии 7 метров.

На изображении выше показаны Земля и Луна с правильным размером и масштабом расстояния друг от друга. Это один из очень немногих примеров небесных объектов, которые можно показать таким образом — большинство из них слишком далеко друг от друга, чтобы поместиться на одном изображении без уменьшения объектов менее чем до одного пикселя. Действительно, это очень большой скачок в масштабе от системы Земля/Луна до Солнечной системы…

Солнечная система

Существуют некоторые разногласия по поводу точного размера Солнечной системы, но, используя наименьшую оценку, Солнечная система по крайней мере в 100 000 раз больше, чем система Земля/Луна. В таблице ниже показаны расстояния от Солнца до различных объектов Солнечной системы.

Объект	Расстояние от Солнца		Время в пути от Солнца
	км	или	Автомобиль	Самолет	Космический корабль	Скорость света
Меркурий	58 000 000	0,387	66 лет	6 лет	10 дней	3,2 минуты
Венера	108 450 000	0,723	124 года	12 лет	18 дней	6,0 минут
Земля	150 000 000	1	171 год	17 лет	25 дней	8,3 минуты
Марс	228 450 000	1,523	261 год	26 лет	38 дней	12,6 минут
Юпитер	780 450 000	5. 203	891 год	89 лет	4 месяца	43,2 минуты
Сатурн	1 430 700 000	9,538	1633 года	163 года	8 месяцев	1,3 часа
Уран	2 972 850 000	19.819	3934 года	393 года	1 год, 4 месяца	2,7 часа
Нептун	4 508 700 000	30.058	5147 лет	515 лет	2 года 1 месяц	4,1 часа
Плутон	5 916 000 000	39,44	6753 года	673 года	2 года 8 месяцев	5,5 часов
Вояджер 1 (роботизированный космический зонд)	18 800 000 000	141	21 461 год	2146 лет	8 лет 6 месяцев	17,4 часа

Обратите внимание на большой скачок от Марса к Юпитеру и подобные большие скачки к более удаленным объектам. Четыре внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) относительно близки к Солнцу, но промежутки между более удаленными объектами намного больше.

Это хороший пример того, как расстояния становятся намного больше, когда мы удаляемся от Земли. Вот орбиты планет относительно друг друга:

Ближайшие звезды

Ближайшими к нам звездами, помимо Солнца, являются три звезды в системе Альфа Центавра, удаленные от нас примерно на 4,2 световых года.

Галактика Млечный Путь

Наша галактика Млечный Путь имеет ширину около 100 000 световых лет, что более чем в 160 миллионов раз превышает размер Солнечной системы.

Ближайшие галактики

Андромеда — ближайшая к Млечному Пути подобная галактика. Она находится примерно в 2,5 миллионах световых лет от нас.

Вся Вселенная

На самом деле мы не знаем, насколько велика вся Вселенная, потому что мы не можем видеть ее всю. Мы можем видеть около 13 миллиардов световых лет в каждом направлении, но если учесть такие факторы, как движение галактик и время, которое требуется свету, чтобы добраться от них до нас, наблюдаемая Вселенная кажется шириной около 93 миллиардов световых лет. Это только та часть Вселенной, которую мы можем видеть — по-видимому, за ней есть гораздо больше. Возможно, Вселенная имеет бесконечный размер, но мы этого не знаем.

Резюме

Я призываю энтузиастов-любителей практиковаться в использовании единиц измерения расстояния, основанных на скорости света, по нескольким причинам. Они довольно интуитивно понятны и могут охватывать все астрономические расстояния, а позже, когда вы узнаете больше о Вселенной, вам будет полезно ознакомиться со скоростью света и расстояниями.

Расстояния, основанные на скорости света

В Солнечной системе : Световых минут, световых часов.
В Галактике : световых лет (до 100 000 световых лет).
Более широкая Вселенная : миллионов и миллиардов световых лет.

Помните, все больше, чем вы думали, и дальше, чем вы можете себе представить.

>> Вернуться к изучению космоса.

Предыдущий: Размеры вещей в космосе | Далее: Наблюдение за звездами: начало работы

КОСМИЧЕСКИЙ ЦЕНТР TE AWAMUTU

ГЛАВНАЯ | О | КОНТАКТЫ | ФЕЙСБУК | Твиттер

Космические расстояния — Исследование Солнечной системы НАСА

Астрономические единицы — полезная мера расстояний в нашей Солнечной системе, в то время как световые годы более практичны для расстояний до звезд. Ближайшая звездная система, Альфа Центавра, видна с Сатурна на этом изображении, полученном космическим кораблем НАСА «Кассини». Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения/Институт космических наук

Ваш браузер не поддерживает аудио элементы.

Пространство за пределами Земли настолько невероятно обширно, что единицы измерения, удобные для нас в повседневной жизни, могут стать ГИГАНТСКИМИ. Расстояния между планетами и особенно между звездами могут стать настолько большими, если их выразить в милях и километрах, что они станут громоздкими. Поэтому для космических расстояний мы переходим на совершенно другие типы единиц: астрономические единицы, световые годы и парсеки.

Астрономические единицы, сокращенно AU, являются полезной единицей измерения в нашей Солнечной системе. Одна астрономическая единица — это расстояние от Солнца до орбиты Земли, которое составляет около 93 миллионов миль (150 миллионов километров). При измерении в астрономических единицах расстояние в 886 000 000 миль (1 400 000 000 километров) от Солнца до орбиты Сатурна составляет гораздо более управляемые 9,5 а.

е. Таким образом, астрономические единицы — отличный способ сжать действительно астрономические числа до более удобного размера.

Астрономические единицы также позволяют легко думать о расстояниях между объектами Солнечной системы. Они позволяют легко увидеть, что Юпитер вращается в пять раз дальше от Солнца, чем Земля, и что Сатурн находится в два раза дальше от Солнца, чем Юпитер. (Это потому, что технически вы выражаете каждое расстояние как отношение расстояния от Земли до Солнца. Удобно!)

Это анимационное видео иллюстрирует, насколько далеки световая секунда, минута и год. Авторы и права: НАСА-Лаборатория реактивного движения-Калтех.

Для гораздо больших расстояний — межзвездных расстояний — астрономы используют световые годы. Световой год — это расстояние, которое фотон света проходит за один год, что составляет около 6 триллионов миль (9триллион километров, или 63 000 а.

е.). Иными словами, световой год — это то, какое расстояние вы бы прошли за год, если бы могли путешествовать со скоростью света, которая составляет 186 000 миль (300 000 километров) в секунду. (Кстати, вы не можете путешествовать со скоростью света, насколько нам известно, но — это — совсем другая история…) Как и АС, световые годы делают астрономические расстояния более управляемыми. Например, ближайшая к нам звездная система — это тройная звездная система Альфы Центавра, удаленная от нас примерно на 4,3 световых года. Это более управляемое число, чем 25 триллионов миль, 40 триллионов километров или 272 000 а.е.

Световые годы также дают некоторую полезную информацию о расстояниях до Солнечной системы: Солнце находится примерно в 8 световых минутах от Земли. (И да, есть также свет секунд !) И поскольку свет от объектов распространяется со скоростью света , когда вы видите Солнце, Юпитер или далекую звезду, вы видите их такими, какими они были, когда свет ушел.