Визначення відстаней до найближчих зірок. Світловий рік і космічні масштаби Відстань до зірки 20 світлових
22 лютого 2017 року NASA повідомило, що у одиночній зірки TRAPPIST-1 знайдені 7 екзопланет. Три з них знаходяться в тому діапазоні відстаней від зірки, в якому планета може мати рідку воду, а вода - це ключовий умова для життя. Повідомляється також, що дана зоряна система знаходиться на відстані в 40 світлових років від Землі.
Це повідомлення наробило багато галасу в ЗМІ, декому навіть здалося, що людство знаходиться в кроці від будівництва нових поселень у нової зірки, але це не так. Але 40 світлових років - це багато, це БАГАТО, це занадто багато кілометрів, тобто це жахливо колосальну відстань!
З курсу фізики відома третя космічна швидкість - це така швидкість, яку повинне мати тіло біля поверхні Землі, щоб вийти за межі Сонячної системи. Значення цієї швидкості одно 16,65 км / сек. Звичайні орбітальні космічні кораблі стартують зі швидкістю 7,9 км / сек, і обертаються навколо Землі. В принципі, швидкість в 16-20 км / сек, є цілком доступною сучасним земним технологіям, але не більше!
Людство ще не навчилося розганяти космічні кораблі швидше, ніж 20 км / сек.
Розрахуємо, скільки років знадобиться зорельота, що летить зі швидкістю в 20 км / сек, щоб подолати 40 світлових років і досягти зірки TRAPPIST-1.
Один світловий рік - це відстань, яку проходить промінь світла у вакуумі, а швидкість світла дорівнює приблизно 300 тис. Км / сек.
Космічний корабель, зроблений руками людей, летить зі швидкістю в 20 км / сек, тобто в 15000 разів повільніше швидкості світла. 40 світлових років такий корабель подолає за час рівне 40 * 15000 \u003d 600000 років!
Земний корабель (при сучасному рівні технології) долетить до зірки TRAPPIST-1 приблизно за 600 тис. Років! Людина розумна існує на Землі (на думку вчених) всього 35-40 тис. Років, а тут цілих 600 тис. Років!
Найближчим часом технології не дозволять людині досягти зірки TRAPPIST-1. Навіть перспективні двигуни (іонні, фотонні, космічні вітрила і т.д.), яких немає в земної реальності, оціночно, можуть розігнати корабель до швидкості в 10000 км / сек, а значить, час польоту до системи TRAPPIST-1 скоротиться до 120 років . Це вже більш-менш прийнятний час для польоту за допомогою анабіозу або для декількох поколінь переселенців, але на сьогоднішній день всі ці двигуни - фантастика.
Навіть найближчі зірки поки ще занадто далекі від людей, занадто далекі, не кажучи вже про зірок нашої Галактики або інших галактиках.
Поперечник нашої галактики Чумацький Шлях становить приблизно 100 тис. Світлових років, тобто шлях від краю до краю для сучасного земного корабля складе 1,5 млрд. Років! Наука передбачає, що нашій Землі 4,5 млрд. Років, а багатоклітинного життя приблизно 2 млрд. Років. Відстань до найближчої до нас галактики - Туманності Андромеди - 2,5 млн. Світлових років від Землі - які жахливі відстані!
Як видно, з усіх нині живих людей ніхто і ніколи не ступить ногою на землю планети в іншої зірки.
Принцип параллакса на простому прикладі.
Спосіб визначення відстані до зірок за допомогою вимірювання кута видимого зміщення (параллакса).
Томас Хендерсон, Василь Якович Струве і Фрідріх Бессель вперше виміряли відстані до зірок методом паралаксів.
Схема розташування зірок в радіусі 14 світлових років від Сонця. Включно із Сонцем, в цій області знаходяться 32 відомі зоряні системи (Inductiveload / wikipedia.org).
Наступне відкриття (30-ті роки XIX століття) - визначення зоряних паралаксів. Вчені давно підозрювали, що зірки можуть бути схожими на далекі сонця. Однак це все-таки була гіпотеза, причому, я б сказав, до цього часу практично ні на чому не заснована. Було важливо навчитися безпосередньо вимірювати відстань до зірок. Як це робити, люди розуміли досить давно. Земля обертається навколо Сонця, і, якщо, наприклад, сьогодні зробити точну замальовку зоряного неба (в XIX столітті зробити фотографію було ще не можна), почекати півроку і повторно замалювати небо, можна помітити, що частина зірок змістилася щодо інших, далеких об'єктів. Причина проста - ми дивимося тепер на зірки з протилежного краю земної орбіти. Виникає зміщення близьких об'єктів на тлі далеких. Це точно так само, як якщо ми спочатку подивимося на палець одним оком, а потім іншим. Ми зауважимо, що палець зміщується на тлі далеких об'єктів (або далекі об'єкти зміщуються щодо пальця, в залежності від того, яку ми виберемо систему відліку). Тихо Браге, кращий астроном-спостерігач дотелескопіческой епохи, намагався виміряти ці паралакси, але не виявив їх. По суті, він дав просто нижню межу відстані до зірок. Він сказав, що зірки як мінімум далі, ніж, приблизно, світловий місяць (хоча, такого терміна тоді, звичайно, ще не могло бути). А в 30-ті роки розвиток технології телескопічних спостережень дозволило точніше вимірювати відстані до зірок. І не дивно, що відразу три людини в різних частинах земної кулі провели такі спостереження для трьох різних зірок.
Першим формально правильно відстань до зірок виміряв Томас Хендерсон. Він спостерігав Альфу Центавра в Південній півкулі. Йому пощастило, він практично випадково вибрав найближчу зірку з тих, які видно неозброєним оком у Південній півкулі. Але Хендерсон вважав, що йому не вистачає точності спостережень, хоча значення він отримав правильне. Помилки, на його думку, були великими, і він результат свій відразу не опублікував. Василь Якович Струве спостерігав в Європі і вибрав яскраву зірку північного неба - Вегу. Йому теж пощастило - він міг би вибрати, наприклад, Арктур, який набагато далі. Струве визначив відстань до Веги і навіть опублікував результат (який, як потім виявилося, був дуже близький до істини). Однак він кілька разів його уточнював, зраджував, і тому багато хто вважав, що не можна вірити цьому результату, оскільки сам автор його постійно змінює. А Фрідріх Бессель вчинив по-іншому. Він вибрав не яскраву зірку, а ту, яка швидко рухається по небу - 61 Лебедя (сама назва говорить, що, напевно, вона не дуже яскрава). Зірки трошки рухаються відносно один одного, і, природно, чим ближче до нас зірки, тим помітніше цей ефект. Точно так же, як в поїзді придорожні стовпи дуже швидко миготять за вікном, ліс лише повільно зміщується, а Сонце фактично стоїть на місці. У 1838 році він опублікував дуже надійний паралакс зірки 61 Лебедя і правильно виміряв відстань. Ці виміри вперше довели, що зірки - це далекі сонця, і стало ясно, що світність всіх цих об'єктів відповідають сонячним значенням. Визначення паралаксів для перших десятків зірок дозволило побудувати тривимірну карту сонячних околиць. Все-таки людині завжди було дуже важливо будувати карти. Це робило світ як би трохи більш контрольованим. Ось карта, і вже чужа місцевість не здається такою загадковою, напевно там не живуть дракони, а просто якийсь темний ліс. Поява вимірювання відстаней до зірок дійсно зробило найближчу сонячну околиця в кілька світлових років якийсь більш, що чи, доброзичливою.
Це - глава з стінгазети, випущеної благодійним проектом «Коротко і ясно про найцікавіше». Натисніть на мініатюру газети нижче і читайте інші статті з тематики. Дякую!
Матеріал випуску люб'язно надав Сергій Борисович Попов - астрофізик, доктор фізико-математичних наук, професор Російської академії наук, провідний науковий співробітник Державного астрономічного інституту ім. Штернберга Московського державного університету, Лауреат кількох престижних премій в галузі науки і освіти. Сподіваємося, що знайомство з випуском буде корисно і школярам, \u200b\u200bі батькам, і вчителям - особливо зараз, коли астрономія знову увійшла в список обов'язкових шкільних предметів (наказ №506 Міністерства освіти та науки від 7 червня 2017 року).
Все стінгазети, видані нашим благодійним проектом «Коротко і ясно про найцікавіше», чекають вас на сайті к-я.рф. Є також
У якийсь момент життя кожен з нас ставив це питання: як довго летіти до зірок? Чи можна здійснити такий переліт за одне людське життя, чи можуть такі польоти стати нормою повсякденності? На це складне питання дуже багато відповідей, в залежності від того, хто запитує. Деякі прості, інші складніше. Щоб знайти вичерпну відповідь, занадто багато треба взяти до уваги.
На жаль, ніяких реальних оцінок, які допомогли б знайти таку відповідь, не існує, і це засмучує футурологів і ентузіастів міжзоряних подорожей. Подобається нам це чи ні, космос дуже великий (і складний), і наші технології все ще обмежені. Але якщо ми коли-небудь зважимося покинути «рідне гніздечко», у нас буде кілька способів дістатися до найближчої зоряної системи в нашій галактиці.
Найближчою зіркою до нашої Землі є Сонце, цілком собі «середня» зірка за схемою «головної послідовності» Герцшпрунга - Рассела. Це означає, що зірка дуже стабільна і забезпечує досить сонячного світла, Щоб на нашій планеті розвивалося життя. Ми знаємо, що навколо зірок поруч з нашою Сонячною системою обертаються й інші планети, і багато хто з цих зірок схожі на нашу власну.
У майбутньому, якщо людство хоче покинути Сонячну систему, у нас буде величезний вибір зірок, на які ми могли б потрапити, і багато хто з них цілком можуть мати у своєму розпорядженні сприятливими для життя умовами. Але куди ми вирушимо і скільки часу у нас займе дорога туди? Не забувайте, що все це всього лише домисли, і немає ніяких орієнтирів для міжзоряних подорожей в даний час. Ну, як говорив Гагарін, поїхали!
Дотягнутися до зірки
Як уже зазначалося, найближча зірка до нашої сонячній системі - це Проксима Центавра, і тому має великий сенс почати планування міжзоряного місії саме з неї. Будучи частиною потрійний зоряної системи Альфа Центавра, Проксима знаходиться в 4,24 світлових років (1,3 парсек) від Землі. Альфа Центавра - це, по суті, найяскравіша зірка з трьох в системі, частина тісному бінарної системи в 4,37 світлових років від Землі - тоді як Проксима Центавра (сама тьмяна з трьох) являє собою ізольований червоний карлик в 0,13 світлових років від подвійної системи.
І хоча бесіди про міжзоряних подорожах навіюють думки про всілякі подорожі «швидше за швидкість світла» (БСС), починаючи від варп-швидкостей і червоточини до подпространственних двигунів, такі теорії або надзвичайно вигадані (на кшталт двигуна Алькубьерре), або існують лише в науковій фантастиці . Будь-яка місія в глибокий космос розтягнеться на покоління людей.
Отже, якщо починати з однієї з найбільш повільних форм космічних подорожей, скільки часу буде потрібно, щоб дістатися до Проксіми Центавра?
сучасні методи
Питання оцінки тривалості переміщення в космосі куди простіше, якщо в ньому замішані існуючі технології і тіла в нашій Сонячній системі. Наприклад, використовуючи технологію, використовувану місією «Нових горизонтів», 16 двигунів на гідразіновом монотопліве, можна дістатися до Місяця всього за 8 годин і 35 хвилин.
Є також місія SMART-1 Європейського космічного агентства, яка рухалася до Місяця за допомогою іонної тяги. З цієї революційною технологією, варіант якої використовував також космічний зонд Dawn, щоб досягти Вести, місії SMART-1 знадобився рік, місяць і два тижні, щоб дістатися до Місяця.
Від швидкого ракетного космічного апарату до економного іонного двигуна, у нас є парочка варіантів пересування по місцевому космосу - плюс можна використовувати Юпітер або Сатурн як величезну гравітаційну рогатку. Проте, якщо ми плануємо вибратися трохи подалі, нам доведеться нарощувати міць технологій і вивчати нові можливості.
Коли ми говоримо про можливі методи, ми говоримо про тих, що втягують існуючі технології, або про тих, яких поки не існують, але які технічно здійсненні. Деякі з них, як ви побачите, перевірені часом і підтверджені, а інші поки залишаються під питанням. Якщо коротко, вони представляють можливий, але дуже витратний за часом і фінансів сценарій подорожі навіть до найближчої зірки.
іонну рух
Зараз найповільнішої і найекономічнішою формою двигуна є іонний двигун. Кілька десятиліть тому іонну рух вважалося предметом наукової фантастики. але в останні роки технології підтримки іонних двигунів перейшли від теорії до практики, і вельми успішно. Місія SMART-1 Європейського космічного агентства - приклад успішно проведеної місії до Місяця за 13 місяців спірального руху від Землі.
SMART-1 використовувала іонні двигуни на сонячній енергії, в яких електроенергія збиралася сонячними батареями і використовувалася для живлення двигунів ефекту Холла. Щоб доставити SMART-1 на Місяць, треба було всього 82 кілограми ксенонового палива. 1 кілограм ксенонового палива забезпечує дельта-V в 45 м / с. це вкрай ефективна форма руху, але далеко не найшвидша.
Однією з перших місій, які використовували технологію іонного двигуна, була місія Deep Space 1 до комети Бореллі в 1998 році. DS1 теж використовував ксенонове іонний двигун і витратив 81,5 кг палива. За 20 місяців тяги DS1 розвинув швидкість в 56 000 км / год на момент прольоту комети.
Іонні двигуни більш економічні, ніж ракетні технології, оскільки їх тяга на одиницю маси ракетного палива (питомий імпульс) набагато вище. Але іонним двигунам потрібно багато часу, щоб розігнати космічний апарат до істотних швидкостей, і максимальна швидкість залежить від паливної підтримки і обсягів вироблення електроенергії.
Тому, якщо використовувати іонну рух в місії до Проксіма Центавра, двигуни повинні мати потужне джерело енергії (ядерна енергія) і великі запаси палива (хоча і менше, ніж звичайні ракети). Але якщо відштовхуватися від допущення, що 81,5 кг ксенонового палива перекладається в 56 000 км / год (і не буде ніяких інших форм руху), можна зробити розрахунки.
На максимальній швидкості в 56 000 км / год Deep Space 1 треба було б 81 000 років, щоб подолати 4,24 світлових року між Землею і Проксіма Центавра. За часом це близько 2700 поколінь людей. Можна з упевненістю сказати, що міжпланетний іонний двигун буде занадто повільним для пілотованої міжзоряного місії.
Але якщо іонні двигуни будуть більший і потужніший (тобто швидкість результату іонів буде значно вище), якщо буде достатньо ракетного палива, якого вистачить на все 4,24 світлових року, час подорожі значно скоротиться. Але все одно залишиться значно більше терміну людського життя.
гравітаційний маневр
самий швидкий спосіб космічних подорожей - це використання гравітаційного маневру. Цей метод включає використання космічним апаратом відносного руху (тобто орбіту) і гравітації планети для зміни шляху і швидкості. Гравітаційні маневри є вкрай корисною технікою космічних польотів, особливо при використанні Землі або іншої масивної планети (на кшталт газового гіганта) для прискорення.
Космічний апарат Mariner 10 першим використав цей метод, використовуючи гравітаційну тягу Венери для розгону в сторону Меркурія в лютому 1974 року. У 1980-х зонд "Вояджер-1» використовував Сатурн і Юпітер для гравітаційних маневрів і розгону до 60 000 км / год з подальшим виходом в міжзоряний простір.
Місії Helios 2, яка почалася в 1976 році і мала дослідити міжпланетну середу між 0,3 а. е. і 1 а. е. від Сонця, належить рекорд найвищої швидкості, розвиненої за допомогою гравітаційного маневру. На той момент Helios 1 (запущеному в 1974 році) і Helios 2 належав рекорд найближчої підходу до Сонця. Helios 2 був запущений звичайної ракетою і виведений на сильно витягнуту орбіту.
Через велику ексцентриситету (0,54) 190-денний сонячної орбіти, в перигелії Helios 2 вдалося досягти максимальної швидкості понад 240 000 км / ч. Ця орбітальна швидкість була розвинена за рахунок тільки гравітаційного тяжіння Сонця. Технічно швидкість перигелію Helios 2 цієї статті не була результатом гравітаційного маневру, а максимальної орбітальною швидкістю, але апарат все одно утримує рекорд найшвидшого штучного об'єкта.
Якби «Вояджер-1» рухався в напрямку червоного карлика Проксіми Центавра з постійною швидкість в 60 000 км / год, йому треба було б 76 000 років (або понад 2500 поколінь), щоб подолати цю відстань. Але якби зонд розвинув рекордну швидкість Helios 2 - постійну швидкість в 240 000 км / год - йому треба було б 19 000 років (або понад 600 поколінь), щоб подолати 4,243 світлових року. Істотно краще, хоча і близько не практично.
Електромагнітний двигун EM Drive
Інший запропонований метод міжзоряних подорожей - це радіочастотний двигун з резонансною порожниною, відомий також як EM Drive. У запропонованого ще в 2001 році Роджером Шойер, британським вченим, який створив Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) для реалізації проекту, двигуна в основі лежить ідея того, що електромагнітні мікрохвильові порожнини дозволяють безпосередньо перетворювати електроенергію в тягу.
Якщо традиційні електромагнітні двигуни призначені для приведення в рух певної маси (на кшталт іонізованих частинок), конкретно ця рухова система не залежить від реакції маси і не випускає спрямованого випромінювання. Взагалі, цей двигун зустріли з неабиякою часткою скепсису багато в чому тому, що він порушує закон збереження імпульсу, згідно з яким імпульс системи залишається постійним і його не можна створити або знищити, а тільки змінити під дією сили.
Проте останні експерименти з цією технологією очевидно привели до позитивних результатів. У липні 2014 року, на 50-й конференції AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference в Клівленді, штат Огайо, вчені NASA, які займаються передовими реактивними розробками, заявили, що успішно випробували нову конструкцію електромагнітного двигуна.
У квітні 2015 року вчені NASA Eagleworks (частина Космічного центру ім. Джонсона) заявили, що успішно випробували цей двигун в вакуумі, що може вказувати на можливе застосування в космосі. У липні того ж року група вчених з відділення космічних систем Дрезденського технологічного університету розробила власну версію двигуна і спостерігала відчутну тягу.
У 2010 році професор Чжуан Янг з Північно-Західного політехнічного університету в Сіань, Китай, почала публікувати серію статей про свої дослідження технології EM Drive. У 2012 році вона повідомила про високу вхідний потужності (2,5 кВт) і зафіксованої тязі в 720 мн. У 2014 році вона також провела великі випробування, включаючи виміри внутрішньої температури з вбудованими термопарами, які показали, що система працює.
За розрахунками на базі прототипу NASA (якому дали оцінку потужності в 0,4 Н / кіловат), космічний апарат на електромагнітному двигуні може здійснити поїздку до Плутона менш ніж за 18 місяців. Це в шість разів менше, ніж було потрібно зонду «Нові горизонти», який рухався на швидкості 58 000 км / ч.
Звучить вражаюче. Але навіть в такому випадку корабель на електромагнітних двигунах буде летіти до Проксіма Центавра 13 000 років. Близько, але все ще недостатньо. Крім того, поки в цій технології не будуть розставлені всі крапки над е, рано говорити про її використанні.
Ядерне теплове і ядерне електричне рух
Ще одна можливість здійснити міжзоряний переліт - використовувати космічний апарат, оснащений ядерними двигунами. NASA десятиліттями вивчало такі варіанти. У ракеті на ядерному тепловому русі можна було б використовувати уранові або дейтерієву реактори, щоб нагрівати водень в реакторі, перетворюючи його в іонізований газ (плазму водню), який потім буде направлятися в сопло ракети, генеруючи тягу.
Ракета з ядерним електричним приводом включає той же реактор, що перетворює тепло і енергію в електроенергію, яка потім живить електродвигун. В обох випадках ракета буде покладатися на ядерний синтез або ядерне розподіл для створення тяги, а не на хімічне паливо, на якому працюють всі сучасні космічні агентства.
У порівнянні з хімічними двигунами, у ядерних є незаперечні переваги. По-перше, це практично необмежена енергетична щільність в порівнянні з ракетним паливом. Крім того, ядерний двигун також буде виробляти потужну тягу в порівнянні з використовуваним обсягом палива. Це дозволить скоротити обсяги необхідного палива, а разом з тим вага і вартість конкретного апарату.
Хоча двигуни на теплової ядерної енергії поки в космос не виходили, їх прототипи створювалися і випробовувалися, а пропонувалося їх ще більше.
І все ж, незважаючи на переваги в економії палива і питомому імпульсі, найкраща із запропонованих концепцій ядерного теплового двигуна має максимальну питому імпульс в 5000 секунд (50 кН · c / кг). Використовуючи ядерні двигуни, що працюють на ядерному розподілі або синтезі, вчені NASA могли б доставити космічний апарат на Марс всього за 90 днів, якщо Червона планета буде в 55 000 000 кілометрах від Землі.
Але якщо говорити про подорож до Проксіма Центавра, ядерної ракеті будуть потрібні століття, щоб розігнатися до істотної частки швидкості світла. Потім будуть потрібні кілька десятиліть шляху, а за ними ще багато століть гальмування на шляху до мети. Ми все ще в 1000 роках від пункту призначення. Що добре для міжпланетних місій, не так добре для міжзоряних.
Внаслідок річного руху Землі по орбіті близькі зірки трохи переміщаються щодо далеких «нерухомих» зірок. За рік така зірка описує на небесній сфері малий еліпс, розміри якого тим менше, ніж зірка далі. У кутовій мірі велика піввісь цього еліпса приблизно дорівнює величині максимального кута, під яким із зірки видно 1 а. е. (велика піввісь земної орбіти), перпендикулярна напряму на зірку. Цей кут (), званий річним або тригонометричним параллаксом зірки, рівний половині її видимого зміщення за рік, служить для вимірювання відстані до неї на основі тригонометричних співвідношень між сторонами і кутами трикутника ЗСА, в якому відомий кут і базис - велика піввісь земної орбіти (див . рис. 1).
Малюнок 1. Визначення відстані до зірки методом паралакса (А - зірка, З - Земля, С - Сонце).
відстань r до зірки, яке визначається за величиною її тригонометричного паралаксу, так само:
r \u003d 206265 "" / (а. Е.),
де паралакс виражений в кутових секундах.
Для зручності визначення відстаней до зірок за допомогою паралаксів в астрономії застосовують спеціальну одиницю довжини - парсек (пс). Зірка, яка перебуває на відстані 1 пс, має паралакс, рівний 1 "". Згідно вищеназваної формулою, 1 пс \u003d 206265 а. е. \u003d 3,086 × 10 18 см.
Поряд з парсек застосовується ще одна спеціальна одиниця відстаней - світловий рік (т. Е. Відстань, яку світло проходить за 1 рік), він дорівнює 0,307 пс, або 9,46 × 10 17 см.
Найближча до Сонячної системи зірка - червоний карлик 12-ї зоряної величини Проксима Центавра - має паралакс 0,762, т. Е. Відстань до неї одно 1,31 пс (4,3 світлових роки).
Нижня межа вимірювання тригонометричних паралаксів ~ 0,01 "", тому з їх допомогою можна вимірювати відстані, що не перевищують 100 пс з відносною похибкою 50%. (При відстанях до 20 пс відносна похибка не перевищує 10%.) Цим методом до теперішнього часу визначені відстані до близько 6000 зірок. Відстані до більш далеких зірок в астрономії визначають в основному фотометричним методом.
Таблиця 1. Двадцять найближчих зірок.
|
Назва зірки |
Паралакс в секундах дуги |
відстань, пс |
Видима зоряна величина, m |
Абсолютна зоряна величина, М |
спектральний клас |
|
|
Проксима Центавра б Центавра А б Центавра В зірка Барнарда лаланд 21185 супутник Сіріуса Лейтен 7896 е Ерідана супутник Проциона Супутник 61 Лебедя е Індіанця |
|
|
