Расстояние до звёзд. Определение расстояний до ближайших звезд Видимая и абсолютная звездная величина

Глядя из окна поезда

Расчёт расстояния до звёзд не сильно волновал древних людей, ведь по их мнению они были прикреплены к небесной сфере и находились от Земли на одинаковом расстоянии, которое человеку никогда не измерить. Где мы, а где эти божественные купола?

Понадобились многие и многие столетия, чтобы люди поняли: Вселенная устроена несколько сложнее. Для понимания мира, в котором мы живём, потребовалось построить пространственную модель, в которой каждая звезда удалена от нас на определённое расстояние, подобно тому, как туристу для прохождения маршрута требуется карта, а не панорамная фотография местности.

Первым помощником в этой сложной затее стал параллакс, знакомый нам по поездкам на поезде или на машине. Замечали ли вы, как быстро мелькают придорожные столбы на фоне далёких гор? Если замечали, то вас можно поздравить: вы, сами того не желая, открыли важную особенность параллактического смещения — для близких объектов оно гораздо больше и заметнее. И наоборот.

Что такое параллакс?

На практике параллакс начал работать на человека в геодезии и (куда же без этого?!) в военном деле. Действительно, кому, как не артиллеристам, нужно измерение расстояний до далёких объектов с максимально возможной точностью? Тем более, что метод триангуляции прост, логичен и не требует применения каких-то сложных приспособлений. Всё, что требуется — измерить два угла и одно расстояние, так называемую базу, с приемлемой точностью, а далее с помощью элементарной тригонометрии определить длину одного из катетов прямоугольного треугольника.

Триангуляция на практике

Представьте, что вам необходимо определить расстояние (d) от одного берега до недоступной точки на корабле. Ниже мы приведём алгоритм необходимых для этого действий.

1. Отметьте на берегу две точки (А) и (B), расстояние между которыми вам известно (l).
2. Измерьте углы α и β.
3. Вычислите d по формуле:

Параллактическое смещение близких звёзд на фоне далёких

Очевидно, что точность напрямую зависит от величины базы: чем она будет длиннее, тем, соответственно, большими будут параллактические смещения и углы. Для земного наблюдателя максимально возможная база — диаметр орбиты Земли вокруг Солнца, то есть измерения надо проводить с интервалом в полгода, когда наша планета оказывается в диаметрально противоположной точке орбиты. Такой параллакс называется годичным, и первым астрономом, попытавшимся его измерить, был знаменитый датчанин Тихо Браге, прославившийся исключительным научным педантизмом и неприятием системы Коперника.

Возможно, приверженность Браге идее геоцентризма сыграла с ним злую шутку: измеренные годичные параллаксы не превышали угловой минуты и вполне могли быть отнесены на счёт инструментальных ошибок. Астроном с чистой совестью убедился в «правильности» Птолемеевой системы — Земля никуда не движется и находится в центре маленькой уютной Вселенной, в которой до Солнца и других звёзд буквально рукой подать, всего лишь в 15–20 раз дальше, чем до Луны. Впрочем, труды Тихо Браге не пропали зря, став фундаментом для открытия законов Кеплера, окончательно поставивших крест на устаревших теориях устройства Солнечной системы.

Звёздные картографы

Космическая «линейка»

Надо отметить, что, прежде чем всерьёз взяться за далёкие звёзды, триангуляция прекрасно поработала в нашем космическом доме. Главной задачей стало определение расстояния до Солнца, той самой астрономической единицы, без точного знания которой измерения звёздных параллаксов становятся бессмысленными. Первым в мире человеком, поставившим перед собой такую задачу, стал древнегреческий философ Аристарх Самосский, предложивший за полторы тысячи лет до Коперника гелиоцентрическую систему мира. Проделав сложные расчёты, основанные на довольно приблизительных знаниях той эпохи, он получил, что Солнце находится в 20 раз дальше, чем Луна. На многие столетия эта величина была принята за истину, став одной из базовых аксиом теорий Аристотеля и Птолемея.

Только Кеплер, подойдя вплотную к построению модели Солнечной системы, подверг эту величину серьёзной переоценке. В этом масштабе никак не удавалось связать реальные астрономические данные и открытые им законы движения небесных тел. Интуитивно Кеплер полагал, что Солнце удалено от Земли гораздо дальше, но, будучи теоретиком, он не находил способа подтвердить (или опровергнуть) свою догадку.

Любопытно, что корректная оценка размера астрономической единицы стала возможна именно на основе законов Кеплера, задавших «жёсткую» пространственную структуру Солнечной системы. Астрономы располагали её точной и подробной картой, на которой оставалось только определить масштаб. Этим и занялись французы Жан Доминик Кассини и Жан Рише, измерившие положение Марса на фоне далёких звёзд во время противостояния (в этом положении Марс, Земля и Солнце располагаются на одной прямой, а расстояние между планетами минимально).

Точками измерения стали Париж и удалённая на добрых 7 тысяч километров столица французской Гвианы — Кайенна. В южноамериканскую колонию отправился молодой Рише, а маститый Кассини остался «мушкетёрить» в Париже. По возвращении молодого коллеги учёные засели за вычисления, и в конце 1672 года они представили результаты своих изысканий — по их расчётам, астрономическая единица была равна 140 миллионам километров. В дальнейшем для уточнения масштабов Солнечной системы астрономы использовали прохождения Венеры по диску Солнца, происшедшие в XVIII-XIX веках четырежды. И, пожалуй, эти исследования можно назвать первыми международными научными проектами: кроме Англии, Германии и Франции их активным участником стала Россия. К началу XX века масштаб Солнечной системы был установлен окончательно, и было принято современное значение астрономической единицы — 149,5 миллиона километров.

1. Аристарх предположил, что Луна имеет форму шара и освещается Солнцем. Следовательно, если Луна выглядит «рассечённой» пополам, то угол Земля-Луна-Солнце является прямым.
2.  Далее Аристарх вычислил угол Солнце-Земля-Луна путём прямого наблюдения.
3.  Используя правило «сумма углов треугольника равна 180 градусов», Аристарх рассчитал угол Земля-Солнце-Луна.
4.  Применив соотношение сторон прямоугольного треугольника, Аристарх вычислил, что растояние Земля-Луна в 20 раз больше, чем Земля-Солнце. Обратите внимание! Аристарх не вычислял точного расстояния.

Парсеки, парсеки

Кассини и Рише рассчитали положение Марса относительно далёких звёзд

А с этими исходными данными уже можно было и претендовать на точность измерений. К тому же угломерные инструменты достигли нужного уровня. Русский астроном Василий Струве, директор университетсткой обсерватории в городе Дерпт (ныне Тарту в Эстонии), в 1837 году опубликовал результаты измерения годичного параллакса Веги. Он оказался равен 0,12 угловой секунды. Эстафету подхватили немец Фридрих Вильгельм Бессель, ученик великого Гаусса, через год измеривший параллакс звезды 61 в созвездии Лебедя — 0,30 угловой секунды, и шотландец Томас Гендерсон, «поймавший» знаменитую альфу Центавра с параллаксом 1,2». Позже, правда, выяснилось, что последний несколько перестарался и на самом деле звезда смещается всего на 0,7 угловой секунды за год.

Накопленные данные показали, что годичный параллакс звёзд не превышает одной угловой секунды. Её и приняли учёные для введения новой единицы измерения — парсека («параллактическая секунда» в сокращении). С такого безумного по привычным меркам расстояния радиус земной орбиты виден под углом в 1 секунду. Чтобы нагляднее представить космические масштабы, примем, что астрономическая единица (а это и есть радиус орбиты Земли, равный 150 миллионам километров) «сжалась» в 2 тетрадных клеточки (1 см). Так вот: «увидеть» их под углом в 1 секунду можно… с двух километров!

Для космических глубин парсек — не расстояние, хотя даже свету на его преодоление понадобится целых три с четвертью года. В пределах всего лишь десятка парсек наших звёздных соседей можно буквально пересчитать по пальцам. Когда же речь заходит о галактических масштабах, впору оперировать кило- (тысяча единиц) и мегапарсеками (соответственно, миллион), которые в нашей «тетрадной» модели уже могут залезать в другие страны.

Настоящий бум сверхточных астрономических измерений начался с приходом фотографии. «Глазастые» телескопы с метровыми объективами, чувствительные фотопластинки, рассчитанные на многочасовую экспозицию, прецизионные часовые механизмы, поворачивающие телескоп синхронно с вращением Земли,— все это позволило уверенно фиксировать годичные параллаксы с точностью до 0,05 угловой секунды и, таким образом, определять расстояния до 100 парсек. На большее (а точнее, на меньшее) земная техника неспособна: мешает капризная и неспокойная земная атмосфера.

Если проводить измерения на орбите, то можно существенно повысить точность. Именно с такой целью в 1989 году на околоземную орбиту был запущен астрометрический спутник «Гиппарх» (HIPPARCOS, от английского High Precision Parallax Collecting Satellite), разработанный в Европейском космическом агентстве.

1. В результате работы орбитального телескопа Гиппарх был составлен фундаментальный астрометрический каталог.
2.  С помощью Гайя составлена трёхмерная карта части нашей Галактики с указанием координат, направления движения и цвета около миллиарда звёзд.

Результат его работы — каталог из 120 тысяч звёздных объектов с годичными параллаксами, определёнными с точностью до 0,01 угловой секунды. А его последователь, спутник Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), запущенный 19 декабря 2013 года, рисует пространственную карту ближайших галактических окрестностей с миллиардом (!) объектов. И кто знает, может быть уже нашим внукам она очень пригодится.

И сколько потенциально взрывоопасных звезд расположено на небезопасном расстоянии?

Сверхновая — невероятный по масштабу взрыв звезды — и почти за пределами человеческого воображения. Если бы наше Солнце взорвалось как сверхновая, то получившаяся ударная волна, вероятно, не уничтожила бы всю Землю, но сторона Земли, обращенная к Солнцу, исчезла бы. Ученые считают, что температура планеты в целом увеличилась бы примерно в 15 раз. Более того, Земля не останется на орбите.

Внезапное уменьшение массы Солнца может освободить планету и отправить блуждать в космос. Ясно, что расстояние до Солнца — 8 световых минут — не безопасно. К счастью, наше Солнце не является звездой, которой суждено взорваться как сверхновая. Но другие звезды, вне нашей солнечной системы, могут. Какое ближайшее безопасное расстояние? Научная литература показывает от 50 до 100 световых лет как самое близкое безопасное расстояние между Землей и сверхновой.

Изображение остатка сверхновой 1987А, видимое на оптических длинах волн, снимок Космического телескопа «Хаббл»

Что произойдет, если сверхновая взорвется вблизи Земли? Давайте рассмотрим взрыв звезды, кроме нашего Солнца, но все еще на небезопасном расстоянии. Скажем, сверхновая звезда находится на расстоянии 30 световых лет. Доктор Марк Рид, старший астроном из Гарвард — Смитсоновского центра астрофизики, говорит:

«… если бы была сверхновая, которая находилась примерно в 30 световых годах от нас, это привело бы к сильным воздействиям на Землю, возможно, массовым вымираниям. Рентгеновские лучи и более энергичные гамма-лучи от сверхновой могут разрушить озоновый слой, который защищает нас от солнечных ультрафиолетовых лучей. Он также мог ионизировать азот и кислород в атмосфере, приводя к образованию больших количеств смога подобной закиси азота в атмосфере».

Более того, если бы сверхновая взорвалась в 30 световых годах от нас, особенно пострадали бы фитопланктон и рифовые сообщества. Такое событие сильно истощает базу пищевой цепи океана.

Предположим, что взрыв был немного более далеким. Взрыв близлежащей звезды может оставить Землю, ее поверхность и океанскую жизнь относительно нетронутыми. Но любой относительно близкий взрыв все равно «облил» бы нас гамма-лучами и другими частицами высокой энергии. Это излучение может вызвать мутации в земной жизни. Кроме того, излучение ближайшей сверхновой могло изменить наш климат.

Известно, что сверхновая не вспыхивала на таком близком расстоянии в известной истории человечества. Самая последняя сверхновая, видимая глазу, была сверхновая 1987A, в 1987 году. Она находилась примерно в 168 000 световых годах от нас. До этого последняя вспышка, видимая глазу, была зарегистрирована Иоганном Кеплером в 1604 году. Приблизительно в 20 000 световых годах она светила более ярко, чем любая звезда в ночном небе. Этот взрыв было видно даже при дневном свете! Насколько нам известно, это не вызвало заметных последствий.

Сколько потенциальных сверхновых расположено ближе к нам, чем расстояние от 50 до 100 световых лет? Ответ зависит от вида сверхновой. Сверхновая типа II — стареющая массивная звезда, которая разрушается. Не существует звезд, достаточно массивных, чтобы сделать это в пределах 50 световых лет от Земли.

Но есть и сверхновые I типа — вызванные схлопыванием небольшой бледной звезды белого карлика. Эти звезды тусклы и их трудно обнаружить, поэтому мы не можем быть уверены, сколько их вокруг. Вероятно, несколько сотен из этих звезд находятся в пределах 50 световых лет.

Относительные размеры IK Pegasi A (слева), B (низ, центр) и Солнца (справа).

Звезда IK Pegasi B является ближайшим кандидатом на роль прообраза сверхновой. Это часть бинарной звездной системы, расположенная примерно в 150 световых годах от нашего Солнца и солнечной системы.

Главная звезда в системе — IK Pegasi A — является обычной звездой главной последовательности, мало чем отличающейся от нашего Солнца. Потенциальная сверхновая I типа — другая звезда — IK Pegasi B — массивный белый карлик, который чрезвычайно мал и плотен. Когда звезда А начнет эволюционировать в красного гиганта, ожидается, что она вырастет до радиуса, где столкнется с белым карликом или он начнет тянуть вещество из расширенной газовой оболочки А. Когда звезда В станет достаточно массивной, она может взорваться, как сверхновая.

Что относительно Бетельгейзе? Другой звездой, часто упоминаемой в истории сверхновых звезд, является Бетельгейзе, одна из самых ярких звезд в нашем небе, часть знаменитого созвездия Ориона. Бетельгейзе — звезда сверхгигант. Она по своей сути очень яркая.

Однако такой блеск имеет свою цену. Бетельгейзе — одна из самых известных звезд на небе, потому что она когда-нибудь взорвется. Огромная энергия Бетельгейзе требует, чтобы топливо было израсходовано быстро (условно говоря), и на самом деле Бетельгейзе уже подходит к концу своей жизни. Когда-нибудь скоро (с астрономической точки зрения) у нее закончится топливо, а затем произойдет впечатляющий взрыв сверхновой звезды типа II. Когда это произойдет, Бетельгейзе станет ярче на несколько недель или месяцев, возможно, такой же яркой, как полная Луна и будет видима средь бела дня.

Когда это произойдет? Наверное, не в нашей жизни, но никто не знает это точно. Это может быть завтра или через миллион лет в будущем. Когда это произойдет, все на Земле будут свидетелями впечатляющего события в ночном небе, но земная жизнь не пострадает. Это потому, что Бетельгейзе находится в 430 световых годах от нас.

Как часто вспыхивают сверхновые в нашей галактике? Никто не знает. Ученые предположили, что высокоэнергетическое излучение сверхновых уже вызвало мутации у земных видов, может быть, даже у людей.

Согласно одной из оценок, в окрестностях Земли каждые 15 миллионов лет может быть одно опасное событие сверхновой. Другие ученые говорят, что в среднем взрыв сверхновой происходит в течение 10 парсеков (33 световых года) от Земли каждые 240 миллионов лет. Итак, вы видите, что мы действительно не знаем. Но вы можете сравнить эти цифры с несколькими миллионами лет — то время, когда люди считаются существующими на планете, — и четыре с половиной миллиарда лет для самого возраста Земли.

И, если вы это сделаете, вы увидите, что сверхновая обязательно взорвется около Земли — но, вероятно, не в обозримом будущем человечества.

нравится(3 ) не нравится(0 )

Принцип параллакса на простом примере.

Способ определения расстояния до звёзд с помощью измерения угла видимого смещения (параллакса).

Томас Хендерсон, Василий Яковлевич Струве и Фридрих Бессель впервые измерили расстояния до звёзд методом параллаксов.

Схема расположения звёзд в радиусе 14 световых лет от Солнца. Включая Солнце, в этой области находятся 32 известные звёздные системы (Inductiveload / wikipedia.org).

Следующее открытие (30-е годы XIX века) – определение звёздных параллаксов . Учёные давно подозревали, что звёзды могут быть похожими на далёкие солнца. Однако это всё-таки была гипотеза, причём, я бы сказал, до этого времени практически ни на чём не основанная. Было важно научиться напрямую измерять расстояние до звёзд. Как это делать, люди понимали достаточно давно. Земля вращается вокруг Солнца, и, если, например, сегодня сделать точную зарисовку звёздного неба (в XIX веке сделать фотографию было ещё нельзя), подождать полгода и повторно зарисовать небо, можно заметить, что часть звёзд сместилась относительно других, далёких объектов. Причина проста – мы смотрим теперь на звёзды с противоположного края земной орбиты. Возникает смещение близких объектов на фоне далёких. Это точно так же, как если мы вначале посмотрим на палец одним глазом, а потом другим. Мы заметим, что палец смещается на фоне далёких объектов (или далёкие объекты смещаются относительно пальца, в зависимости от того, какую мы выберем систему отсчёта). Тихо Браге , лучший астроном-наблюдатель дотелескопической эпохи, пытался измерить эти параллаксы, но не обнаружил их. По сути, он дал просто нижний предел расстояния до звёзд. Он сказал, что звёзды как минимум дальше, чем, примерно, световой месяц (хотя, такого термина тогда, конечно, ещё не могло быть). А в 30-е годы развитие технологии телескопических наблюдений позволило точнее измерять расстояния до звёзд. И не удивительно, что сразу три человека в разных частях Земного шара провели такие наблюдения для трёх разных звёзд.

Первым формально правильно расстояние до звёзд измерил Томас Хендерсон . Он наблюдал Альфу Центавра в Южном полушарии. Ему повезло, он практически случайно выбрал самую близкую звезду из тех, которые видны невооружённым глазом в Южном полушарии. Но Хендерсон считал, что ему не хватает точности наблюдений, хотя значение он получил правильное. Ошибки, по его мнению, были большими, и он результат свой сразу не опубликовал. Василий Яковлевич Струве наблюдал в Европе и выбрал яркую звезду северного неба – Вегу. Ему тоже повезло – он мог бы выбрать, например, Арктур, который гораздо дальше. Струве определил расстояние до Веги и даже опубликовал результат (который, как потом оказалось, был очень близок к истине). Однако он несколько раз его уточнял, изменял, и поэтому многие посчитали, что нельзя верить этому результату, поскольку сам автор его постоянно меняет. А Фридрих Бессель поступил по-другому. Он выбрал не яркую звезду, а ту, которая быстро двигается по небу – 61 Лебедя (само название говорит, что, наверное, она не очень яркая). Звёзды немножко двигаются относительно друг друга, и, естественно, чем ближе к нам звёзды, тем заметнее этот эффект. Точно так же, как в поезде придорожные столбы очень быстро мелькают за окном, лес лишь медленно смещается, а Солнце фактически стоит на месте. В 1838 году он опубликовал очень надёжный параллакс звезды 61 Лебедя и правильно измерил расстояние. Эти измерения впервые доказали, что звёзды – это далёкие солнца, и стало ясно, что светимость всех этих объектов соответствуют солнечным значением. Определение параллаксов для первых десятков звёзд позволило построить трёхмерную карту солнечных окрестностей. Всё-таки человеку всегда было очень важно строить карты. Это делало мир как бы чуть более контролируемым. Вот карта, и уже чужая местность не кажется такой загадочной, наверное там не живут драконы, а просто какой-то тёмный лес. Появление измерения расстояний до звёзд действительно сделало ближайшую солнечную окрестность в несколько световых лет какой-то более, что ли, дружелюбной.

Это – глава из стенгазеты, выпущенной благотворительным проектом «Коротко и ясно о самом интересном». Нажмите на миниатюру газеты ниже и читайте остальные статьи по интересующей вас тематике. Спасибо!

Материал выпуска любезно предоставил Сергей Борисович Попов – астрофизик, доктор физико-математических наук, профессор Российской академии наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. Штернберга Московского государственного университета, лауреат нескольких престижных премий в области науки и просвещения. Надеемся, что знакомство с выпуском будет полезно и школьникам, и родителям, и учителям – особенно сейчас, когда астрономия снова вошла в список обязательных школьных предметов (приказ №506 Минобрнауки от 7 июня 2017 года).

Все стенгазеты, изданные нашим благотворительным проектом «Коротко и ясно о самом интересном», ждут вас на сайте к-я.рф. Есть также

22 февраля 2017 года NASA сообщило, что у одиночной звезды TRAPPIST-1 найдены 7 экзопланет. Три из них находятся в том диапазоне расстояний от звезды, в котором планета может иметь жидкую воду, а вода - это ключевой условие для жизни. Сообщается также, что данная звездная система находится на расстоянии в 40 световых лет от Земли.

Это сообщение наделало много шума в СМИ, кое-кому даже показалось, что человечество находится в шаге от строительства новых поселений у новой звезды, но это не так. Но 40 световых лет - это много, это МНОГО, это слишком много километров, то есть это чудовищно колоссальное расстояние!

Из курса физики известна третья космическая скорость - это такая скорость, которую должно иметь тело у поверхности Земли, чтобы выйти за пределы Солнечной системы. Значение этой скорости равно 16,65 км/сек. Обычные орбитальные космические корабли стартуют со скоростью 7,9 км/сек, и вращаются вокруг Земли. В принципе, скорость в 16-20 км/сек, является вполне доступной современным земным технологиям, но не более!

Человечество еще не научилось разгонять космические корабли быстрее, чем 20 км/сек.

Рассчитаем, сколько лет понадобиться звездолету, летящему со скоростью в 20 км/сек, чтобы преодолеть 40 световых лет и достичь звезды TRAPPIST-1.
Один световой год - это расстояние, которое проходит луч света в вакууме, а скорость света равна примерно 300 тыс. км/сек.

Космический корабль, сделанный руками людей, летит со скоростью в 20 км/сек, то есть в 15000 раз медленнее скорости света. 40 световых лет такой корабль преодолеет за время равное 40*15000=600000 лет!

Земной корабль (при современном уровне технологии) долетит до звезды TRAPPIST-1 примерно за 600 тыс. лет! Человек разумный существует на Земле (по мнению ученых) всего 35-40 тыс. лет, а тут целых 600 тыс. лет!

В ближайшее время технологии не позволят человеку достичь звезды TRAPPIST-1. Даже перспективные двигатели (ионные, фотонные, космические паруса и т.д.), которых нет в земной реальности, оценочно, могут разогнать корабль до скорости в 10000 км/сек, а значит, время полета до системы TRAPPIST-1 сократится до 120 лет. Это уже более-менее приемлемое время для полета с помощью анабиоза или для нескольких поколений переселенцев, но на сегодняшний день все эти двигатели - фантастика.

Даже ближайшие звезды пока еще слишком далеки от людей, слишком далеки, не говоря уже о звездах нашей Галактики или других галактиках.

Поперечник нашей галактики Млечный Путь составляет примерно 100 тыс. световых лет, то есть путь из конца в конец для современного земного корабля составит 1,5 млрд. лет! Наука предполагает, что нашей Земле 4,5 млрд. лет, а многоклеточной жизни примерно 2 млрд. лет. Расстояние до ближайшей к нам галактики - Туманности Андромеды - 2,5 млн. световых лет от Земли - какие чудовищные расстояния!

Как видно, из всех ныне живущих людей никто и никогда не ступит ногой на землю планеты у другой звезды.

В какой-то момент жизни каждый из нас задавал этот вопрос: как долго лететь к звездам? Можно ли осуществить такой перелет за одну человеческую жизнь, могут ли такие полеты стать нормой повседневности? На этот сложный вопрос очень много ответов, в зависимости от того, кто спрашивает. Некоторые простые, другие сложнее. Чтобы найти исчерпывающий ответ, слишком многое нужно принять во внимание.

К сожалению, никаких реальных оценок, которые помогли бы найти такой ответ, не существует, и это расстраивает футурологов и энтузиастов межзвездных путешествий. Нравится нам это или нет, космос очень большой (и сложный), и наши технологии все еще ограничены. Но если мы когда-нибудь решимся покинуть «родное гнездышко», у нас будет несколько способов добраться до ближайшей звездной системы в нашей галактике.

Ближайшей звездой к нашей Земле является Солнце, вполне себе «средняя» звезда по схеме «главной последовательности» Герцшпрунга – Рассела. Это означает, что звезда весьма стабильна и обеспечивает достаточно солнечного света, чтобы на нашей планете развивалась жизнь. Мы знаем, что вокруг звезд рядом с нашей Солнечной системой вращаются и другие планеты, и многие из этих звезд похожи на нашу собственную.

В будущем, если человечество желает покинуть Солнечную систему, у нас будет огромный выбор звезд, на которые мы могли бы попасть, и многие из них вполне могут располагать благоприятными для жизни условиями. Но куда мы отправимся и сколько времени у нас займет дорога туда? Не забывайте, что все это всего лишь домыслы, и нет никаких ориентиров для межзвездных путешествий в настоящее время. Ну, как говорил Гагарин, поехали!

Дотянуться до звезды
Как уже отмечалось, ближайшая звезда к нашей Солнечной системе - это Проксима Центавра, и поэтому имеет большой смысл начать планирование межзвездной миссии именно с нее. Будучи частью тройной звездной системы Альфа Центавра, Проксима находится в 4,24 световых лет (1,3 парсек) от Земли. Альфа Центавра - это, по сути, самая яркая звезда из трех в системе, часть тесной бинарной системы в 4,37 световых лет от Земли - тогда как Проксима Центавра (самая тусклая из трех) представляет собой изолированный красный карлик в 0,13 световых лет от двойной системы.

И хотя беседы о межзвездных путешествиях навевают мысли о всевозможных путешествиях «быстрее скорости света» (БСС), начиная от варп-скоростей и червоточины до подпространственных двигателей, такие теории либо в высшей степени вымышлены (вроде двигателя Алькубьерре), либо существуют лишь в научной фантастике. Любая миссия в глубокий космос растянется на поколения людей.

Итак, если начинать с одной из самых медленных форм космических путешествий, сколько времени потребуется, чтобы добраться до Проксимы Центавра?

Современные методы

Вопрос оценки длительности перемещения в космосе куда проще, если в нем замешаны существующие технологии и тела в нашей Солнечной системе. К примеру, используя технологию, используемую миссией «Новых горизонтов», 16 двигателей на гидразиновом монотопливе, можно добраться до Луны всего за 8 часов и 35 минут.

Есть также миссия SMART-1 Европейского космического агентства, которая двигалась к Луне с помощью ионной тяги. С этой революционной технологией, вариант которой использовал также космический зонд Dawn, чтобы достичь Весты, миссии SMART-1 потребовался год, месяц и две недели, чтобы добраться до Луны.

От быстрого ракетного космического аппарата до экономного ионного двигателя, у нас есть парочка вариантов передвижения по местному космосу - плюс можно использовать Юпитер или Сатурн как огромную гравитационную рогатку. Тем не менее, если мы планируем выбраться чуть подальше, нам придется наращивать мощь технологий и изучать новые возможности.

Когда мы говорим о возможных методах, мы говорим о тех, что вовлекают существующие технологии, или о тех, которых пока не существуют, но которые технически осуществимы. Некоторые из них, как вы увидите, проверены временем и подтверждены, а другие пока остаются под вопросом. Вкратце, они представляют возможный, но очень затратный по времени и финансам сценарий путешествия даже к ближайшей звезде.

Ионное движение

Сейчас самой медленной и самой экономичной формой двигателя является ионный двигатель. Несколько десятилетий назад ионное движение считалось предметом научной фантастики. Но в последние года технологии поддержки ионных двигателей перешли от теории к практике, и весьма успешно. Миссия SMART-1 Европейского космического агентства - пример успешно проведенной миссии к Луне за 13 месяцев спирального движения от Земли.

SMART-1 использовала ионные двигатели на солнечной энергии, в которых электроэнергия собиралась солнечными батареями и использовалась для питания двигателей эффекта Холла. Чтобы доставить SMART-1 на Луну, потребовалось всего 82 килограмма ксенонового топлива. 1 килограмм ксенонового топлива обеспечивает дельта-V в 45 м/с. Это крайне эффективная форма движения, но далеко не самая быстрая.

Одной из первых миссий, использовавших технологию ионного двигателя, была миссия Deep Space 1 к комете Боррелли в 1998 году. DS1 тоже использовал ксеноновый ионный двигатель и потратил 81,5 кг топлива. За 20 месяцев тяги DS1 развил скорости в 56 000 км/ч на момент пролета кометы.

Ионные двигатели более экономичны, чем ракетные технологии, поскольку их тяга на единицу массы ракетного топлива (удельный импульс) намного выше. Но ионным двигателям нужно много времени, чтобы разогнать космический аппарат до существенных скоростей, и максимальная скорость зависит от топливной поддержки и объемов выработки электроэнергии.

Поэтому, если использовать ионное движение в миссии к Проксиме Центавра, двигатели должны иметь мощный источник энергии (ядерная энергия) и большие запасы топлива (хотя и меньше, чем обычные ракеты). Но если отталкиваться от допущения, что 81,5 кг ксенонового топлива переводится в 56 000 км/ч (и не будет никаких других форм движения), можно произвести расчеты.

На максимальной скорости в 56 000 км/ч Deep Space 1 потребовалось бы 81 000 лет, чтобы преодолеть 4,24 световых года между Землей и Проксимой Центавра. По времени это порядка 2700 поколений людей. Можно с уверенностью сказать, что межпланетный ионный двигатель будет слишком медленным для пилотируемой межзвездной миссии.

Но если ионные двигатели будут крупнее и мощнее (то есть скорость исхода ионов будет значительно выше), если будет достаточно ракетного топлива, которого хватит на все 4,24 световых года, время путешествия значительно сократится. Но все равно останется значительно больше срока человеческой жизни.

Гравитационный маневр

Самый быстрый способ космических путешествий - это использование гравитационного маневра. Этот метод включает использование космическим аппаратом относительного движения (то есть орбиту) и гравитации планеты для изменения пути и скорости. Гравитационные маневры являются крайне полезной техникой космических полетов, особенно при использовании Земли или другой массивной планеты (вроде газового гиганта) для ускорения.

Космический аппарат Mariner 10 первым использовал этот метод, используя гравитационную тягу Венеры для разгона в сторону Меркурия в феврале 1974 года. В 1980-х зонд «Вояджер-1» использовал Сатурн и Юпитер для гравитационных маневров и разгона до 60 000 км/ч с последующим выходом в межзвездное пространство.

Миссии Helios 2, которая началась в 1976 году и должна была исследовать межпланетную среду между 0,3 а. е. и 1 а. е. от Солнца, принадлежит рекорд самой высокой скорости, развитой с помощью гравитационного маневра. На тот момент Helios 1 (запущенному в 1974 году) и Helios 2 принадлежал рекорд самого близкого подхода к Солнцу. Helios 2 был запущен обычной ракетой и выведен на сильно вытянутую орбиту.

Из-за большого эксцентриситета (0,54) 190-дневной солнечной орбиты, в перигелии Helios 2 удалось достичь максимальной скорости свыше 240 000 км/ч. Эта орбитальная скорость была развита за счет только лишь гравитационного притяжения Солнца. Технически скорость перигелия Helios 2 не была результатом гравитационного маневра, а максимальной орбитальной скоростью, но аппарат все равно удерживает рекорд самого быстрого искусственного объекта.

Если бы «Вояджер-1» двигался в направлении красного карлика Проксимы Центавра с постоянной скорость в 60 000 км/ч, ему потребовалось бы 76 000 лет (или более 2500 поколений), чтобы преодолеть это расстояние. Но если бы зонд развил рекордную скорость Helios 2 - постоянную скорость в 240 000 км/ч - ему потребовалось бы 19 000 лет (или более 600 поколений), чтобы преодолеть 4,243 световых года. Существенно лучше, хотя и близко не практично.

Электромагнитный двигатель EM Drive

Другой предложенный метод межзвездных путешествий - это радиочастотный двигатель с резонансной полостью, известный также как EM Drive. У предложенного еще в 2001 году Роджером Шойером, британским ученым, который создал Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) для реализации проекта, двигателя в основе лежит идея того, что электромагнитные микроволновые полости позволяют напрямую преобразовывать электроэнергию в тягу.

Если традиционные электромагнитные двигатели предназначены для приведения в движение определенной массы (вроде ионизированных частиц), конкретно эта двигательная система не зависит от реакции массы и не испускает направленного излучения. Вообще, этот двигатель встретили с изрядной долей скепсиса во многом потому, что он нарушает закон сохранения импульса, согласно которому импульс системы остается постоянным и его нельзя создать или уничтожить, а только изменить под действием силы.

Тем не менее последние эксперименты с этой технологией очевидно привели к положительным результатам. В июле 2014 года, на 50-й конференции AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference в Кливленде, штат Огайо, ученые NASA, занимающиеся передовыми реактивными разработками, заявили, что успешно испытали новую конструкцию электромагнитного двигателя.

В апреле 2015 года ученые NASA Eagleworks (часть Космического центра им. Джонсона) заявили, что успешно испытали этот двигатель в вакууме, что может указывать на возможное применение в космосе. В июле того же года группа ученых из отделения космических систем Дрезденского технологического университета разработала собственную версию двигателя и наблюдала ощутимую тягу.

В 2010 году профессор Чжуан Янг из Северо-Западного политехнического университета в Сиань, Китай, начала публиковать серию статей о своих исследованиях технологии EM Drive. В 2012 году она сообщила о высокой входной мощности (2,5 кВт) и зафиксированной тяге в 720 мн. В 2014 году она также провела обширные испытания, включая замеры внутренней температуры со встроенными термопарами, которые показали, что система работает.

По расчетам на базе прототипа NASA (которому дали оценку мощности в 0,4 Н/киловатт), космический аппарат на электромагнитном двигателе может осуществить поездку к Плутону менее чем за 18 месяцев. Это в шесть раз меньше, чем потребовалось зонду «Новые горизонты», который двигался на скорости 58 000 км/ч.

Звучит впечатляюще. Но даже в таком случае корабль на электромагнитных двигателях будет лететь к Проксиме Центавра 13 000 лет. Близко, но все еще недостаточно. Кроме того, пока в этой технологии не будут расставлены все точки над ё, рано говорить о ее использовании.

Ядерное тепловое и ядерное электрическое движение

Еще одна возможность осуществить межзвездный перелет - использовать космический аппарат, оснащенный ядерными двигателями. NASA десятилетиями изучало такие варианты. В ракете на ядерном тепловом движении можно было бы использовать урановые или дейтериевые реакторы, чтобы нагревать водород в реакторе, превращая его в ионизированный газ (плазму водорода), который затем будет направляться в сопло ракеты, генерируя тягу.

Ракета с ядерным электрическим приводом включает тот же реактор, преобразующий тепло и энергию в электроэнергию, которая затем питает электродвигатель. В обоих случаях ракета будет полагаться на ядерный синтез или ядерное деление для создания тяги, а не на химическое топливо, на котором работают все современные космические агентства.

По сравнению с химическими двигателями, у ядерных есть неоспоримые преимущества. Во-первых, это практически неограниченная энергетическая плотность по сравнению с ракетным топливом. Кроме того, ядерный двигатель также будет вырабатывать мощную тягу по сравнению с используемым объемом топлива. Это позволит сократить объемы необходимого топлива, а вместе с тем вес и стоимость конкретного аппарата.

Хотя двигатели на тепловой ядерной энергии пока в космос не выходили, их прототипы создавались и испытывались, а предлагалось их еще больше.

И все же, несмотря на преимущества в экономии топлива и удельном импульсе, самая лучшая из предложенных концепций ядерного теплового двигателя имеет максимальный удельный импульс в 5000 секунд (50 кН·c/кг). Используя ядерные двигатели, работающие на ядерном делении или синтезе, ученые NASA могли бы доставить космический аппарат на Марс всего за 90 дней, если Красная планета будет в 55 000 000 километрах от Земли.

Но если говорить о путешествии к Проксиме Центавра, ядерной ракете потребуются столетия, чтобы разогнаться до существенной доли скорости света. Потом потребуются несколько десятилетий пути, а за ними еще много веков торможения на пути к цели. Мы все еще в 1000 годах от пункта назначения. Что хорошо для межпланетных миссий, не так хорошо для межзвездных.