Odległość do gwiazd. Wyznaczanie odległości do najbliższych gwiazd Wielkość widzialna i bezwzględna

Patrząc przez okno pociągu

Obliczanie odległości do gwiazd nie martwiło starożytnych ludzi zbytnio, ponieważ ich zdaniem byli przywiązani do sfery niebieskiej i znajdowali się w tej samej odległości od Ziemi, której człowiek nigdy nie był w stanie zmierzyć. Gdzie jesteśmy i gdzie są te boskie kopuły?

Ludziom zajęło wiele, wiele wieków zrozumienie: Wszechświat jest nieco bardziej skomplikowany. Aby zrozumieć świat, w którym żyjemy, należało zbudować model przestrzenny, w którym każda gwiazda jest od nas oddalona w określonej odległości, tak jak turysta potrzebuje mapy do przebycia trasy, a nie panoramicznego zdjęcia okolicy .

Pierwszym pomocnikiem w tym skomplikowanym przedsięwzięciu była paralaksa, znana nam z podróży pociągiem czy samochodem. Czy zauważyłeś, jak szybko przydrożne słupy migają na tle odległych gór? Jeśli zauważyłeś, możesz pogratulować: bezwiednie odkryłeś ważną cechę przemieszczenia paralaktycznego - w przypadku bliskich obiektów jest ono znacznie większe i bardziej zauważalne. I wzajemnie.

Co to jest paralaksa?

W praktyce paralaksa zaczęła się sprawdzać u ludzi w geodezji i (kim byśmy bez niej byli?!) w sprawach wojskowych. Bo kto, jeśli nie artylerzysta, musi mierzyć odległości do odległych obiektów z najwyższą możliwą dokładnością? Ponadto metoda triangulacji jest prosta, logiczna i nie wymaga stosowania skomplikowanych urządzeń. Wystarczy zmierzyć z akceptowalną dokładnością dwa kąty i jedną odległość, tzw. podstawę, a następnie za pomocą elementarnej trygonometrii wyznaczyć długość jednej z nóg trójkąt prostokątny.

Triangulacja w praktyce

Wyobraź sobie, że musisz określić odległość (d) od jednego brzegu do niedostępnego punktu na statku. Poniżej podajemy algorytm niezbędnych do tego działań.

Zaznacz na brzegu dwa punkty (A) i (B), których odległość znasz (l).
Zmierz kąty α i β.
Oblicz d korzystając ze wzoru:

Przemieszczenie paralaksy bliskichgwiazdy na odległym tle

Oczywiście dokładność zależy bezpośrednio od wielkości podstawy: im jest ona dłuższa, tym odpowiednio większe będą przemieszczenia i kąty paralaksy. Dla obserwatora na Ziemi maksymalną możliwą podstawą jest średnica orbity Ziemi wokół Słońca, czyli pomiarów należy dokonywać w odstępach sześciomiesięcznych, kiedy nasza planeta znajduje się w diametralnie przeciwnym punkcie orbity. Taka paralaksa nazywana jest paralaksą roczną, a pierwszym astronomem, który podjął próbę jej pomiaru, był słynny Duńczyk Tycho Brahe, słynący z wyjątkowej naukowej pedanterii i odrzucenia systemu Kopernika.

Być może przywiązanie Brahe do idei geocentryzmu zrobiło mu okrutny żart: zmierzone roczne paralaksy nie przekraczały minuty łukowej i można je było przypisać błędom instrumentalnym. Astronom z czystym sumieniem był przekonany o „poprawności” układu ptolemejskiego - Ziemia nigdzie się nie porusza i znajduje się w centrum małego, przytulnego Wszechświata, w którym Słońce i inne gwiazdy są dosłownie na wyciągnięcie ręki, zaledwie 15 –20 razy dalej niż Księżyc. Jednak prace Tycho Brahe nie poszły na marne, stając się podstawą do odkrycia praw Keplera, które ostatecznie położyły kres przestarzałym teoriom budowy Układu Słonecznego.

Kartografowie gwiazd

Kosmiczny „władca”

Należy zauważyć, że zanim poważnie zajęliśmy się odległymi gwiazdami, triangulacja świetnie sprawdziła się w naszym kosmicznym domu. Głównym zadaniem było określenie odległości do Słońca, tej samej jednostki astronomicznej, bez dokładnej wiedzy, które pomiary paralaks gwiazd tracą sens. Pierwszą osobą na świecie, która postawił sobie takie zadanie, był starożytny grecki filozof Arystarch z Samos, który półtora tysiąca lat przed Kopernikiem zaproponował heliocentryczny system świata. Dokonując skomplikowanych obliczeń w oparciu o dość przybliżoną wiedzę z tamtej epoki, odkrył, że Słońce znajduje się 20 razy dalej niż Księżyc. Przez wiele stuleci wartość tę przyjmowano za prawdę, stając się jednym z podstawowych aksjomatów teorii Arystotelesa i Ptolemeusza.

Dopiero Kepler, zbliżając się do zbudowania modelu Układu Słonecznego, poddał tę wartość poważnemu przewartościowaniu. W tej skali w żaden sposób nie było możliwe powiązanie rzeczywistych danych astronomicznych z odkrytymi przez niego prawami ruchu ciał niebieskich. Intuicyjnie Kepler sądził, że Słońce znajduje się znacznie dalej od Ziemi, jednak będąc teoretykiem, nie znalazł sposobu na potwierdzenie (lub obalenie) swojego przypuszczenia.

Ciekawe, że prawidłowe oszacowanie wielkości jednostki astronomicznej stało się możliwe właśnie na podstawie praw Keplera, które wyznaczają „sztywną” strukturę przestrzenną Układu Słonecznego. Astronomowie dysponowali jego dokładną i szczegółową mapą, na której pozostało jedynie określić skalę. Tak zrobili Francuzi Jean Dominique Cassini i Jean Richet, którzy podczas opozycji zmierzyli położenie Marsa na tle odległych gwiazd (w tym położeniu Mars, Ziemia i Słońce znajdują się na tej samej linii prostej, a odległość między planetami jest minimalne).

Punktami pomiarowymi był Paryż i stolica Gujany Francuskiej, Cayenne, oddalona o dobre 7 tysięcy kilometrów. Młody Richet udał się do kolonii w Ameryce Południowej, a czcigodny Cassini pozostał „muszkieterem” w Paryżu. Po powrocie młodego kolegi naukowcy zasiedli do obliczeń, a pod koniec 1672 roku przedstawili wyniki swoich badań – według ich obliczeń jednostka astronomiczna wynosiła 140 milionów kilometrów. Następnie, aby wyjaśnić skalę Układu Słonecznego, astronomowie wykorzystali tranzyty Wenus przez dysk słoneczny, które miały miejsce czterokrotnie w XVIII-XIX wieku. I być może badania te można nazwać pierwszymi międzynarodowymi projektami naukowymi: oprócz Anglii, Niemiec i Francji aktywnym uczestnikiem stała się Rosja. Na początku XX wieku ostatecznie ustalono skalę Układu Słonecznego i przyjęto współczesną wartość jednostki astronomicznej - 149,5 miliona kilometrów.

Arystarch zasugerował, że Księżyc jest kulisty i oświetlony przez Słońce. Dlatego też, jeśli Księżyc wygląda na „przecięty” na pół, wówczas kąt Ziemia-Księżyc-Słońce jest prawidłowy.
Następnie Arystarch obliczył kąt Słońce-Ziemia-Księżyc poprzez bezpośrednią obserwację.
Korzystając z zasady „suma kątów w trójkącie wynosi 180 stopni”, Arystarch obliczył kąt Ziemia-Słońce-Księżyc.
Korzystając ze współczynnika kształtu trójkąta prostokątnego, Arystarch obliczył, że odległość Ziemia-Księżyc jest 20 razy większa niż odległość Ziemia-Słońce. Notatka! Arystarch nie obliczył dokładnej odległości.

Parseki, parseki

Cassini i Richet obliczyli położenie Marsa względem odległych gwiazd

Dzięki tym wstępnym danym można było już twierdzić o dokładności pomiarów. Dodatkowo narzędzia goniometru osiągnęły wymagany poziom. Rosyjski astronom Wasilij Struwe, dyrektor obserwatorium uniwersyteckiego w mieście Dorpat (obecnie Tartu w Estonii), w 1837 roku opublikował wyniki pomiarów rocznej paralaksy Wegi. Okazało się, że wynosi 0,12 sekundy łukowej. Pałeczkę przejęli Niemiec Friedrich Wilhelm Bessel, uczeń wielkiego Gaussa, który rok później zmierzył paralaksę gwiazdy 61 w konstelacji Łabędzia - 0,30 sekundy łukowej, oraz Szkot Thomas Henderson, który „złapał” słynną Alfę Centauri z paralaksą 1,2.” Później jednak okazało się, że ten ostatni był nieco nadgorliwy i tak naprawdę gwiazda porusza się zaledwie o 0,7 sekundy łukowej rocznie.

Zgromadzone dane wykazały, że roczna paralaksa gwiazd nie przekracza jednej sekundy łukowej. Naukowcy przyjęli wprowadzenie nowej jednostki miary - parseka (w skrócie „sekunda paralaktyczna”). Z tak szalonej odległości według zwykłych standardów promień orbity Ziemi jest widoczny pod kątem 1 sekundy. Aby lepiej wyobrazić sobie skalę kosmiczną, załóżmy, że jednostka astronomiczna (a jest to promień orbity Ziemi, równy 150 milionom kilometrów) została „zmniejszona” do 2 komórek notatnika (1 cm). A więc: można je „zobaczyć” pod kątem 1 sekundy… z dwóch kilometrów!

W głębinach kosmosu parsek nie jest odległością, choć nawet światłu potrzeba trzech i ćwierć roku, aby ją pokonać. W ciągu zaledwie kilkunastu parseków naszych gwiezdnych sąsiadów można dosłownie policzyć na palcach jednej ręki. Jeśli chodzi o skalę galaktyczną, czas operować kilo- (tysiąc jednostek) i megaparsekami (odpowiednio milion), które w naszym „tetradowym” modelu mogą już przenikać do innych krajów.

Prawdziwy rozkwit ultraprecyzyjnych pomiarów astronomicznych rozpoczął się wraz z pojawieniem się fotografii. Teleskopy „wielkookie” z metrowymi obiektywami, czułe klisze fotograficzne zaprojektowane na wielogodzinne naświetlanie, precyzyjne mechanizmy zegarowe, które obracają teleskop synchronicznie z obrotem Ziemi – to wszystko pozwoliło pewnie rejestrować z dokładnością roczne paralaksy 0,05 sekundy łukowej i w ten sposób wyznaczać odległości do 100 parseków. Ziemska technologia nie jest w stanie więcej (a raczej mniej): na przeszkodzie staje kapryśna i niespokojna ziemska atmosfera.

Jeśli pomiary przeprowadzane są na orbicie, dokładność można znacznie poprawić. W tym celu w 1989 roku na niską orbitę okołoziemską wystrzelono opracowanego przez Europejską Agencję Kosmiczną astrometrycznego satelitę Hipparchus (HIPPARCOS, od angielskiego High Precision Parallax Collecting Satellite).

W wyniku prac teleskopu orbitalnego Hipparchus opracowano podstawowy katalog astrometryczny.
Za pomocą Gai stworzono trójwymiarową mapę części naszej Galaktyki, wskazującą współrzędne, kierunek ruchu i kolor około miliarda gwiazd.

Efektem jego pracy jest katalog 120 tysięcy obiektów gwiazdowych z rocznymi paralaksami wyznaczonymi z dokładnością do 0,01 sekundy łukowej. A jego następca, satelita Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), wystrzelony 19 grudnia 2013 roku, rysuje przestrzenną mapę najbliższych okolic galaktycznych z miliardem (!) obiektów. Kto wie, może nasze wnuki uznają to za bardzo przydatne.

A ile potencjalnie wybuchowych gwiazd znajduje się w niebezpiecznych odległościach?

Supernowa to eksplozja gwiazdy na skalę niewiarygodną i niemal przekraczającą granice ludzkiej wyobraźni. Gdyby nasze Słońce eksplodowało jako supernowa, powstała fala uderzeniowa prawdopodobnie nie zniszczyłaby całej Ziemi, ale strona Ziemi zwrócona w stronę Słońca zniknęłaby. Naukowcy uważają, że temperatura całej planety wzrosłaby około 15 razy. Co więcej, Ziemia nie pozostanie na orbicie.

Nagły spadek masy Słońca może uwolnić planetę i wysłać ją w przestrzeń kosmiczną. Oczywiste jest, że odległość do Słońca – 8 minut świetlnych – nie jest bezpieczna. Na szczęście nasze Słońce nie jest gwiazdą, której przeznaczeniem jest wybuch supernowej. Ale inne gwiazdy spoza Układu Słonecznego mogą to zrobić. Jaka jest najbliższa bezpieczna odległość? Literatura naukowa podaje, że najbliższa bezpieczna odległość między Ziemią a supernową wynosi od 50 do 100 lat świetlnych.

Zdjęcie pozostałości po supernowej 1987A widocznej w zakresie fal optycznych z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a.

Co się stanie, jeśli w pobliżu Ziemi wybuchnie supernowa? Rozważmy eksplozję gwiazdy innej niż nasze Słońce, ale wciąż znajdującej się w niebezpiecznej odległości. Załóżmy, że supernowa jest w odległości 30 lat świetlnych. Dr Mark Reed, starszy astronom w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, mówi:

„...gdyby w odległości około 30 lat świetlnych istniała supernowa, doprowadziłaby to do poważnych uderzeń w Ziemię, a nawet masowego wymierania. Promieniowanie rentgenowskie i bardziej energetyczne promienie gamma pochodzące z supernowej mogą zniszczyć warstwę ozonową, która chroni nas przed promieniami ultrafioletowymi słońca. Może także jonizować azot i tlen w atmosferze, prowadząc do powstawania w atmosferze dużych ilości podtlenku azotu podobnego do smogu.”
Co więcej, gdyby w odległości 30 lat świetlnych wybuchła supernowa, szczególnie ucierpiałoby to na skutek eksplozji fitoplanktonu i raf. Takie wydarzenie znacznie uszczupla podstawę oceanicznego łańcucha pokarmowego.
Załóżmy, że eksplozja była nieco bardziej odległa. Eksplozja pobliskiej gwiazdy może pozostawić Ziemię, jej powierzchnię i życie w oceanach stosunkowo nietknięte. Jednak każda stosunkowo bliska eksplozja nadal zasypuje nas promieniami gamma i innymi cząstkami o wysokiej energii. Promieniowanie to może powodować mutacje w życiu ziemskim. Ponadto promieniowanie pobliskiej supernowej może zmienić nasz klimat.
Wiadomo, że supernowa nie eksplodowała w tak małej odległości znana historia ludzkość. Ostatnią supernową widoczną gołym okiem była Supernowa 1987A z 1987 r. Znajdowała się w odległości około 168 000 lat świetlnych. Wcześniej ostatni rozbłysk widoczny dla oka zarejestrował Johannes Kepler w 1604 roku. W odległości około 20 000 lat świetlnych świeciła jaśniej niż jakakolwiek gwiazda na nocnym niebie. Eksplozja była widoczna nawet w świetle dziennym! Według naszej wiedzy nie spowodowało to żadnych zauważalnych skutków.
Ile potencjalnych supernowych jest bliżej nas niż 50 do 100 lat świetlnych od nas? Odpowiedź zależy od rodzaju supernowej. Supernowa typu II to starzejąca się, masywna gwiazda, która zapada się. W promieniu 50 lat świetlnych od Ziemi nie ma gwiazd wystarczająco masywnych, aby to zrobić.
Ale są też supernowe typu I – powstałe w wyniku zapadnięcia się małej, bladej, białej gwiazdy karła. Gwiazdy te są słabe i trudne do wykrycia, więc nie możemy być pewni, ile ich jest w pobliżu. Prawdopodobnie kilkaset tych gwiazd znajduje się w promieniu 50 lat świetlnych.
Względne rozmiary IK Pegasi A (po lewej), B (na dole, w środku) i Sun (po prawej).
Najbliższym kandydatem do roli prototypu supernowej jest gwiazda IK Pegasi B. To jest część binarna układ gwiazd, położonej około 150 lat świetlnych od naszego Słońca i Układu Słonecznego.
Główna gwiazda układu, IK Pegasi A, jest zwykłą gwiazdą ciągu głównego, podobną do naszego Słońca. Potencjalną supernową typu I jest inna gwiazda, IK Pegasi B, masywny biały karzeł, który jest niezwykle mały i gęsty. Oczekuje się, że kiedy gwiazda A zacznie ewoluować w czerwonego olbrzyma, osiągnie promień, w którym zderzy się z białym karłem lub zacznie wyciągać materię z rozszerzonej otoczki gazowej A. Kiedy gwiazda B stanie się wystarczająco masywna, może eksplodować jako supernowa.
A co z Betelgezą? Kolejną gwiazdą często wspominaną w historii supernowych jest Betelgeza, jedna z najjaśniejszych gwiazd na naszym niebie, część słynnego konstelacji Oriona. Betelgeza to nadolbrzym gwiazda. Z natury jest bardzo jasny.
Jednak taki blask ma swoją cenę. Betelgeza to jedna z najsłynniejszych gwiazd na niebie, ponieważ pewnego dnia eksploduje. Ogromna energia Betelgezy wymaga szybkiego zużycia paliwa (względnie rzecz biorąc), a tak naprawdę Betelgeza zbliża się już do końca swojego życia. Któregoś dnia (z astronomicznego punktu widzenia) zabraknie mu paliwa, a potem nastąpi spektakularna eksplozja za nowa typ II. Kiedy to nastąpi, Betelgeza stanie się jaśniejsza na kilka tygodni lub miesięcy, być może tak jasna jak pełnia księżyca i będzie widoczny w biały dzień.
Kiedy to się stanie? Prawdopodobnie nie za naszego życia, ale nikt nie jest tego pewien. Może to nastąpić jutro lub za milion lat. Kiedy to nastąpi, wszyscy na Ziemi będą świadkami spektakularnego wydarzenia na nocnym niebie, ale nie będzie to miało wpływu na życie na Ziemi. Dzieje się tak dlatego, że Betelgeza znajduje się 430 lat świetlnych od nas.
Jak często w naszej galaktyce zdarzają się supernowe? Nikt nie wie. Naukowcy sugerują, że wysokoenergetyczne promieniowanie supernowych spowodowało już mutacje gatunki lądowe, może nawet u ludzi.
Według szacunków w pobliżu Ziemi może dochodzić do jednego niebezpiecznego zdarzenia supernowego co 15 milionów lat. Inni naukowcy twierdzą, że wybuch supernowej następuje średnio w odległości 10 parseków (33 lat świetlnych) od Ziemi co 240 milionów lat. Więc widzisz, że naprawdę nie wiemy. Można jednak porównać te liczby do kilku milionów lat – czasu, jaki uważa się za czas, w którym ludzie przebywali na planecie – oraz czterech i pół miliarda lat w odniesieniu do wieku samej Ziemi.
A jeśli to zrobisz, zobaczysz, że supernowa z pewnością eksploduje w pobliżu Ziemi – ale prawdopodobnie nie w dającej się przewidzieć przyszłości ludzkości.
tak jak( 3 ) Nie lubię( 0 )

Zasada paralaksy na prostym przykładzie.

Metoda określania odległości do gwiazd poprzez pomiar kąta pozornego przemieszczenia (paralaksy).

Thomas Henderson, Wasilij Jakowlewicz Struve i Friedrich Bessel jako pierwsi zmierzyli odległości do gwiazd metodą paralaksy.

Schemat położenia gwiazd w promieniu 14 lat świetlnych od Słońca. Łącznie ze Słońcem, w tym regionie znajdują się 32 znane układy gwiezdne (Inductiveload / wikipedia.org).

Kolejnym odkryciem (lata 30. XIX w.) jest określenie paralaks gwiazd. Naukowcy od dawna podejrzewali, że gwiazdy mogą być podobne do odległych słońc. Była to jednak nadal hipoteza i, powiedziałbym, do tego czasu nie opierała się praktycznie na niczym. Ważne było, aby nauczyć się bezpośrednio mierzyć odległość do gwiazd. Ludzie od dawna rozumieli, jak to zrobić. Ziemia krąży wokół Słońca i jeśli na przykład dzisiaj wykonasz dokładny szkic rozgwieżdżonego nieba (w XIX wieku nie można było jeszcze zrobić zdjęcia), poczekasz sześć miesięcy i narysujesz niebo od nowa, będziesz Zauważ, że niektóre gwiazdy przesunęły się względem innych, odległych obiektów. Powód jest prosty – patrzymy teraz na gwiazdy z przeciwnej krawędzi orbity Ziemi. Następuje przemieszczenie bliskich obiektów na tle odległych. To dokładnie tak samo, jakbyśmy najpierw patrzyli na palec jednym okiem, a potem drugim. Zauważymy, że palec jest przesunięty na tle odległych obiektów (lub odległe obiekty są przesunięte względem palca, w zależności od tego, jaki układ odniesienia wybierzemy). Tycho Brahe, najlepszy astronom obserwacyjny epoki przed teleskopami, próbował zmierzyć te paralaksy, ale ich nie wykrył. W rzeczywistości podał po prostu dolną granicę odległości do gwiazd. Stwierdził, że gwiazdy są co najmniej dalej niż około miesiąca świetlnego (choć takie określenie oczywiście nie mogło jeszcze istnieć). A w latach 30. rozwój technologii obserwacji teleskopowych umożliwił dokładniejszy pomiar odległości do gwiazd. I nic dziwnego, że trzy osoby są jednocześnie w różnych częściach Glob dokonał takich obserwacji dla trzech różnych gwiazd.

Thomas Henderson jako pierwszy formalnie poprawnie zmierzył odległość do gwiazd. Obserwował Alpha Centauri na półkuli południowej. Miał szczęście, niemal przypadkowo wybrał najbliższą gwiazdę spośród widocznych gołym okiem na półkuli południowej. Ale Henderson uważał, że brakuje mu dokładności jego obserwacji, chociaż uzyskał prawidłową wartość. Błędy jego zdaniem były duże i wyników nie opublikował od razu. Wasilij Jakowlewicz Struve obserwował w Europie i wybrał jasną gwiazdę północnego nieba - Wegę. Miał też szczęście – mógł wybrać np. Arcturusa, który jest znacznie dalej. Struve określił odległość do Vegi i nawet opublikował wynik (co, jak się później okazało, było bardzo bliskie prawdy). Jednak kilkakrotnie to wyjaśniał, zmieniał i dlatego wielu uważało, że temu wynikowi nie można ufać, ponieważ sam autor ciągle go zmieniał. Ale Friedrich Bessel postąpił inaczej. Wybrał nie jasną gwiazdę, ale taką, która szybko porusza się po niebie - 61 Cygni (sama nazwa mówi, że prawdopodobnie nie jest zbyt jasna). Gwiazdy poruszają się nieco względem siebie i oczywiście im bliżej nas są, tym bardziej zauważalny jest ten efekt. Podobnie jak w pociągu, za oknem bardzo szybko migają przydrożne słupy, las porusza się powoli, a Słońce właściwie stoi w miejscu. W 1838 roku opublikował bardzo wiarygodną paralaksę gwiazdy 61 Cygni i poprawnie zmierzył odległość. Pomiary te po raz pierwszy dowiodły, że gwiazdy są odległymi słońcami i stało się jasne, że jasność wszystkich tych obiektów odpowiadała wartości słonecznej. Wyznaczenie paralaks dla pierwszych dziesiątek gwiazd umożliwiło skonstruowanie trójwymiarowej mapy otoczenia Słońca. W końcu tworzenie map zawsze było dla człowieka bardzo ważne. Dzięki temu świat wydawał się bardziej kontrolowany. Oto mapa, a obcy teren nie wydaje się już taki tajemniczy, prawdopodobnie nie żyją tam smoki, ale po prostu jakiś ciemny las. Pojawienie się metod pomiaru odległości do gwiazd rzeczywiście sprawiło, że najbliższe sąsiedztwo Słońca, oddalone o kilka lat świetlnych, stało się nieco bardziej, cóż, przyjazne.

To rozdział z gazetki ściennej wydawanej w ramach projektu charytatywnego „Krótko i jasno o najciekawszych rzeczach”. Kliknij na miniaturkę gazety poniżej i przeczytaj inne artykuły na interesujące Cię tematy. Dziękuję!

Materiał do numeru udostępnił dzięki uprzejmości Siergieja Borysowicza Popowa – astrofizyka, doktora nauk fizycznych i matematycznych, profesora Rosyjskiej Akademii Nauk, prezentera Badacz Państwowy Instytut Astronomiczny im. Sternberga z Moskwy Uniwersytet stanowy, zdobywca kilku prestiżowych nagród w dziedzinie nauki i edukacji. Mamy nadzieję, że zapoznanie się z tematyką będzie przydatne dla uczniów, rodziców i nauczycieli – zwłaszcza teraz, gdy astronomia ponownie została wpisana na listę przedmiotów obowiązkowych (zarządzenie nr 506 Ministra Edukacji i Nauki z dnia 7 czerwca 2017 r. ).

Wszystkie gazetki ścienne wydawane w ramach naszego projektu charytatywnego „Krótko i jasno o najciekawszych” czekają na Ciebie na stronie k-ya.rf. Istnieje również

22 lutego 2017 roku NASA poinformowała, że wokół pojedynczej gwiazdy TRAPPIST-1 odkryto 7 egzoplanet. Trzy z nich mieszczą się w zakresie odległości od gwiazdy, w których na planecie może znajdować się woda w stanie ciekłym, a woda jest kluczowym warunkiem życia. Poinformowano również, że ten układ gwiazd znajduje się w odległości 40 lat świetlnych od Ziemi.

Ta wiadomość wywołała duży szum w mediach, niektórzy nawet myśleli, że ludzkość jest o krok od budowy nowych osiedli w pobliżu nowej gwiazdy, ale tak nie jest. Ale 40 lat świetlnych to dużo, to DUŻO, to zbyt wiele kilometrów, czyli potwornie kolosalna odległość!

Z kursu fizyki znana jest trzecia prędkość ucieczki - jest to prędkość, jaką musi posiadać ciało na powierzchni Ziemi, aby wydostać się poza Układ Słoneczny. Wartość tej prędkości wynosi 16,65 km/s. Zwykły orbital statki kosmiczne startuje z prędkością 7,9 km/s i krąży wokół Ziemi. W zasadzie prędkość 16-20 km/s jest całkiem dostępna dla nowoczesnych ziemskich technologii, ale nie więcej!

Ludzkość nie nauczyła się jeszcze przyspieszać statków kosmicznych szybciej niż 20 km/s.

Obliczmy, ile lat zajmie statkowi kosmicznemu lecącemu z prędkością 20 km/s przebycie 40 lat świetlnych i dotarcie do gwiazdy TRAPPIST-1.
Jeden rok świetlny to odległość, jaką wiązka światła pokonuje w próżni, a prędkość światła wynosi około 300 tysięcy km/s.

Stworzony przez człowieka statek kosmiczny leci z prędkością 20 km/s, czyli 15 000 razy wolniejszą od prędkości światła. Taki statek przeleci 40 lat świetlnych w czasie równym 40*15000=600000 lat!

Ziemski statek (przy obecnym poziomie technologii) dotrze do gwiazdy TRAPPIST-1 za około 600 tysięcy lat! Homo sapiens istnieje na Ziemi (według naukowców) zaledwie 35-40 tysięcy lat, a tu już aż 600 tysięcy lat!

W najbliższej przyszłości technologia nie pozwoli ludziom dotrzeć do gwiazdy TRAPPIST-1. Szacuje się, że nawet obiecujące silniki (jonowe, fotonowe, żagle kosmiczne itp.), które nie istnieją w ziemskiej rzeczywistości, będą w stanie rozpędzić statek do prędkości 10 000 km/s, co oznacza, że czas lotu do TRAPPIST -1 system zostanie skrócony do 120 lat. To już mniej więcej akceptowalny czas na loty z zawieszoną animacją czy dla kilku pokoleń imigrantów, ale dziś wszystkie te silniki są fantastyczne.

Nawet najbliższe gwiazdy są wciąż za daleko od ludzi, za daleko, nie mówiąc już o gwiazdach naszej Galaktyki czy innych galaktyk.

Średnica naszej galaktyki Drogi Mlecznej wynosi około 100 tysięcy lat świetlnych, co oznacza, że podróż współczesnego statku ziemskiego od końca do końca wyniesie 1,5 miliarda lat! Nauka sugeruje, że nasza Ziemia ma 4,5 miliarda lat, a życie wielokomórkowe około 2 miliardy lat. Odległość do najbliższej nam galaktyki - Mgławicy Andromedy - 2,5 miliona lat świetlnych od Ziemi - co za potworne odległości!

Jak widać, ze wszystkich żyjących ludzi, nikt nigdy nie postawi stopy na ziemi planety znajdującej się w pobliżu innej gwiazdy.

Każdy z nas na pewnym etapie życia zadał sobie pytanie: ile czasu zajmuje lot do gwiazd? Czy da się odbyć taki lot w ciągu jednego życia człowieka, czy takie loty mogą stać się normą codzienności? Istnieje wiele odpowiedzi na to złożone pytanie, w zależności od tego, kto pyta. Niektóre są proste, inne są bardziej złożone. Jest zbyt wiele rzeczy do wzięcia pod uwagę, aby znaleźć pełną odpowiedź.

Niestety nie ma realnych szacunków, które pomogłyby znaleźć taką odpowiedź, co frustruje futurystów i miłośników podróży międzygwiezdnych. Czy nam się to podoba, czy nie, przestrzeń jest bardzo duża (i złożona), a nasza technologia jest nadal ograniczona. Ale jeśli kiedykolwiek zdecydujemy się opuścić nasze „gniazdo”, będziemy mieli kilka sposobów, aby dostać się do najbliższego układu gwiezdnego w naszej galaktyce.

Najbliższą Ziemi gwiazdą jest Słońce, całkiem „przeciętna” gwiazda według schematu „ciągu głównego” Hertzsprunga-Russella. Oznacza to, że gwiazda jest bardzo stabilna i zapewnia wystarczającą ilość światła słonecznego, aby na naszej planecie mogło rozwinąć się życie. Wiemy, że w pobliżu naszego Układu Słonecznego krążą inne planety, a wiele z tych gwiazd jest podobnych do naszej.

W przyszłości, jeśli ludzkość zechce opuścić Układ Słoneczny, będziemy mieli ogromny wybór gwiazd, do których będziemy mogli się udać, a wiele z nich może mieć warunki sprzyjające życiu. Ale dokąd pójdziemy i ile czasu zajmie nam dotarcie tam? Należy pamiętać, że to wszystko tylko spekulacje i obecnie nie ma żadnych wytycznych dotyczących podróży międzygwiezdnych. Cóż, jak powiedział Gagarin, chodźmy!

Sięgnij po gwiazdę
Jak już wspomniano, najbliższą gwiazdą naszego Układu Słonecznego jest Proxima Centauri, dlatego warto rozpocząć tam planowanie misji międzygwiezdnej. Proxima, będąca częścią układu potrójnego gwiazd Alpha Centauri, znajduje się 4,24 roku świetlnego (1,3 parseka) od Ziemi. Alfa Centauri jest zasadniczo najjaśniejszą gwiazdą z trzech w układzie, częścią bliskiego układu podwójnego oddalonego o 4,37 lat świetlnych od Ziemi, podczas gdy Proxima Centauri (najsłabsza z całej trójki) jest izolowanym czerwonym karłem oddalonym o 0,13 roku świetlnego od układu podwójnego system.

I chociaż mowa o podróżach międzygwiezdnych przywodzi na myśl wszelkiego rodzaju podróże „szybsze od prędkości światła” (FSL), od prędkości warp i tuneli czasoprzestrzennych po napędy podprzestrzenne, takie teorie są albo wysoce fikcyjne (jak napęd Alcubierre’a), albo istnieją tylko w science-fiction. Każda misja w przestrzeń kosmiczną będzie trwała przez pokolenia.

Jeśli więc zaczniesz od jednej z najwolniejszych form podróż kosmiczna, ile czasu zajmie dotarcie do Proxima Centauri?

Nowoczesne metody

Kwestia oszacowania czasu podróży w przestrzeni kosmicznej jest znacznie prostsza, jeśli uwzględnia istniejące technologie i ciała w naszym Układzie Słonecznym. Na przykład, wykorzystując technologię zastosowaną w misji New Horizons, 16 hydrazynowych silników monopropelencyjnych mogłoby dotrzeć na Księżyc w zaledwie 8 godzin i 35 minut.

Jest też misja SMART-1 Europejskiej Agencji Kosmicznej, która poleciał w stronę Księżyca za pomocą napędu jonowego. Dzięki tej rewolucyjnej technologii, której wersja została również wykorzystana przez sondę kosmiczną Dawn, aby dotrzeć do Westy, misja SMART-1 dotarcie na Księżyc zajęła rok, miesiąc i dwa tygodnie.

Od szybkich rakiet kosmicznych po oszczędny napęd jonowy – mamy kilka możliwości poruszania się po lokalnej przestrzeni kosmicznej, a ponadto możesz wykorzystać Jowisza lub Saturna jako ogromną procę grawitacyjną. Jeśli jednak planujemy pójść nieco dalej, będziemy musieli zwiększyć moc technologii i odkryć nowe możliwości.

Kiedy mówimy o możliwych metodach, mamy na myśli te, które wykorzystują istniejące technologie lub takie, które jeszcze nie istnieją, ale są technicznie wykonalne. Niektóre z nich, jak zobaczysz, są sprawdzone i potwierdzone, inne nadal pozostają wątpliwe. Krótko mówiąc, przedstawiają możliwy, ale bardzo czasochłonny i kosztowny finansowo scenariusz podróży nawet do najbliższej gwiazdy.

Ruch jonowy

Obecnie najwolniejszą i najbardziej ekonomiczną formą napędu jest napęd jonowy. Kilka dekad temu napęd jonowy uznawano za fantastykę naukową. Ale w ostatnie lata Technologie wspomagające silniki jonowe przeszły od teorii do praktyki i to z dużym sukcesem. Misja SMART-1 Europejskiej Agencji Kosmicznej jest przykładem udanej misji na Księżyc w 13-miesięcznej spirali od Ziemi.

SMART-1 używał silników jonowych energia słoneczna, w którym energia elektryczna była gromadzona przez panele słoneczne i wykorzystywana do zasilania silników z efektem Halla. Do dostarczenia SMART-1 na Księżyc potrzebne były jedynie 82 kilogramy paliwa ksenonowego. 1 kilogram paliwa ksenonowego zapewnia delta-V wynoszącą 45 m/s. Jest to niezwykle wydajna forma ruchu, ale daleka od najszybszej.

Jedną z pierwszych misji, w których wykorzystano technologię napędu jonowego, była misja Deep Space 1 do komety Borrelli w 1998 roku. DS1 również korzystał z silnika ksenonowo-jonowego i zużywał 81,5 kg paliwa. Po 20 miesiącach ciągu DS1 w momencie przelotu komety osiągnęła prędkość 56 000 km/h.

Silniki jonowe są bardziej ekonomiczne niż technologia rakietowa, ponieważ ich ciąg na jednostkę masy paliwa (impuls właściwy) jest znacznie większy. Jednak silniki jonowe potrzebują dużo czasu, aby przyspieszyć statek kosmiczny do znacznych prędkości, a maksymalna prędkość zależy od zasilania paliwem i ilości wytworzonej energii elektrycznej.

Jeśli zatem w misji na Proxima Centauri miałby zostać zastosowany napęd jonowy, silniki musiałyby posiadać potężne źródło zasilania (energia jądrowa) i duże zapasy paliwa (choć mniejsze niż w przypadku konwencjonalnych rakiet). Ale jeśli zaczniemy od założenia, że 81,5 kg paliwa ksenonowego przekłada się na 56 000 km/h (i nie będzie innych form ruchu), to można poczynić obliczenia.

Przy maksymalnej prędkości 56 000 km/h Deep Space 1 potrzebowałby 81 000 lat, aby przebyć odległość 4,24 roku świetlnego między Ziemią a Proxima Centauri. Z czasem jest to około 2700 pokoleń ludzi. Można śmiało powiedzieć, że międzyplanetarny napęd jonowy będzie zbyt wolny dla załogowej misji międzygwiezdnej.

Jeśli jednak silniki jonowe będą większe i mocniejsze (to znaczy tempo wypływu jonów będzie znacznie większe), jeśli paliwa rakietowego wystarczy na całe 4,24 roku świetlnego, czas podróży znacznie się skróci. Ale nadal pozostanie znacznie więcej życia ludzkiego.

Manewr grawitacyjny

Najszybszym sposobem podróżowania w kosmosie jest korzystanie ze wspomagania grawitacyjnego. Technika ta polega na tym, że statek kosmiczny wykorzystuje ruch względny (tj. orbitę) i grawitację planety do zmiany swojej ścieżki i prędkości. Manewry grawitacyjne są niezwykle przydatną techniką lotów kosmicznych, zwłaszcza gdy do przyspieszania wykorzystuje się Ziemię lub inną masywną planetę (taką jak gazowy olbrzym).

Sonda Mariner 10 jako pierwsza zastosowała tę metodę, wykorzystując przyciąganie grawitacyjne Wenus, aby skierować się w stronę Merkurego w lutym 1974 roku. W latach 80. sonda Voyager 1 wykorzystywała Saturna i Jowisza do manewrów grawitacyjnych i przyspieszania do 60 000 km/h przed wejściem w przestrzeń międzygwiazdową.

Misja Helios 2, która rozpoczęła się w 1976 roku i miała na celu badanie ośrodka międzyplanetarnego w odległości 0,3 jednostki astronomicznej. e. i 1a. e. od Słońca zapis należy do siebie wysoka prędkość, opracowany przy użyciu manewru grawitacyjnego. W tym czasie Helios 1 (wystrzelony w 1974 r.) i Helios 2 były rekordami największego zbliżenia się do Słońca. Helios 2 został wystrzelony konwencjonalną rakietą i umieszczony na bardzo wydłużonej orbicie.

Ze względu na dużą ekscentryczność (0,54) 190-dniowej orbity Słońca, Helios 2 był w stanie osiągnąć na peryhelium maksymalną prędkość ponad 240 000 km/h. Ta prędkość orbitalna została opracowana w wyniku przyciągania grawitacyjnego samego Słońca. Technicznie rzecz biorąc, prędkość peryhelium Heliosa 2 nie była wynikiem manewru grawitacyjnego, ale jego maksymalnej prędkości orbitalnej, ale nadal jest rekordzistą w kategorii najszybszego obiektu stworzonego przez człowieka.

Gdyby Voyager 1 poruszał się w kierunku czerwonego karła Proxima Centauri ze stałą prędkością 60 000 km/h, pokonanie tej odległości zajęłoby 76 000 lat (czyli ponad 2500 pokoleń). Gdyby jednak sonda osiągnęła rekordową prędkość Helios 2 – utrzymującą się prędkość 240 000 km/h – przebycie 4243 lat świetlnych zajęłoby 19 000 lat (czyli ponad 600 pokoleń). Znacznie lepiej, chociaż nie prawie praktycznie.

Silnik elektromagnetyczny EM Drive

Inną proponowaną metodą podróży międzygwiezdnych jest silnik rezonansowy RF, znany również jako napęd EM. Silnik zaproponowany w 2001 roku przez Rogera Scheuera, brytyjskiego naukowca, który w celu realizacji projektu utworzył firmę Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), opiera się na założeniu, że elektromagnetyczne wnęki mikrofalowe mogą bezpośrednio przekształcać energię elektryczną w ciąg.

Podczas gdy tradycyjne silniki elektromagnetyczne są zaprojektowane do napędzania określonej masy (takiej jak zjonizowane cząstki), ten konkretny układ napędowy jest niezależny od reakcji masy i nie emituje promieniowania ukierunkowanego. Generalnie silnik ten spotkał się z dość dużym sceptycyzmem, głównie dlatego, że narusza prawo zachowania pędu, zgodnie z którym pęd układu pozostaje stały i nie można go wytworzyć ani zniszczyć, a jedynie zmienić pod wpływem siły .

Jednak ostatnie eksperymenty z tą technologią najwyraźniej przyniosły pozytywne rezultaty. W lipcu 2014 r. podczas 50. Wspólnej Konferencji Napędowej AIAA/ASME/SAE/ASEE w Cleveland w stanie Ohio naukowcy z NASA zajmujący się zaawansowanymi napędami ogłosili, że pomyślnie przetestowali nowy projekt napędu elektromagnetycznego.

W kwietniu 2015 r. naukowcy z NASA Eagleworks (część Johnson Space Center) oświadczyli, że pomyślnie przetestowali silnik w próżni, co może wskazać możliwe zastosowania kosmiczne. W lipcu tego samego roku grupa naukowców z Zakładu Systemów Kosmicznych Drezna Politechnika opracowała własną wersję silnika i zaobserwowała zauważalny ciąg.

W 2010 roku profesor Zhuang Yang z Northwestern Politechnika w Xi'an w Chinach rozpoczęła publikowanie serii artykułów na temat swoich badań nad technologią EM Drive. W 2012 roku zaobserwowała dużą moc wejściową (2,5 kW) i zarejestrowany ciąg 720 mN. W 2014 r. przeprowadziła także szeroko zakrojone testy, obejmujące pomiary temperatury wewnętrznej za pomocą wbudowanych termopar, które wykazały, że system działa.

Na podstawie obliczeń przeprowadzonych na prototypie NASA (którego moc znamionową oszacowano na 0,4 N/kilowat), statek kosmiczny napędzany elektromagnetycznie mógłby dotrzeć do Plutona w niecałe 18 miesięcy. To sześciokrotnie mniej niż wymagała sonda New Horizons, która poruszała się z prędkością 58 000 km/h.

Brzmi imponująco. Ale nawet w tym przypadku statek na silnikach elektromagnetycznych będzie latał do Proxima Centauri przez 13 000 lat. Blisko, ale wciąż za mało. Poza tym, dopóki w tej technologii nie zostaną kropkowane wszystkie „i”, jest za wcześnie, aby mówić o jej zastosowaniu.

Jądrowy ruch termiczny i jądrowy ruch elektryczny

Inną możliwością lotu międzygwiezdnego jest wykorzystanie statku kosmicznego wyposażonego w silniki nuklearne. NASA bada takie możliwości od dziesięcioleci. Rakieta o napędzie cieplnym może wykorzystywać reaktory uranowe lub deuterowe do podgrzewania wodoru w reaktorze i przekształcania go w zjonizowany gaz (plazmę wodorową), który następnie byłby kierowany do dyszy rakiety, wytwarzając ciąg.

Rakieta o napędzie atomowym wykorzystuje ten sam reaktor do przekształcania ciepła i energii w energię elektryczną, która następnie napędza silnik elektryczny. W obu przypadkach rakieta do wytworzenia ciągu opierałaby się na syntezie jądrowej lub rozszczepieniu, a nie na paliwie chemicznym, na którym działają wszystkie nowoczesne agencje kosmiczne.

W porównaniu z silnikami chemicznymi silniki nuklearne mają niezaprzeczalne zalety. Po pierwsze, ma praktycznie nieograniczoną gęstość energii w porównaniu do paliwa rakietowego. Ponadto silnik nuklearny będzie również wytwarzał duży ciąg w stosunku do ilości zużytego paliwa. Zmniejszy to ilość potrzebnego paliwa, a jednocześnie wagę i koszt konkretnego urządzenia.

Chociaż cieplne silniki jądrowe nie zostały jeszcze wystrzelone w przestrzeń kosmiczną, stworzono i przetestowano prototypy, a nawet zaproponowano jeszcze więcej.

Jednak pomimo korzyści w zakresie oszczędności paliwa i impulsu właściwego, najlepiej zaproponowana koncepcja nuklearnego silnika cieplnego charakteryzuje się maksymalnym impulsem właściwym wynoszącym 5000 sekund (50 kN·s/kg). Wykorzystując silniki nuklearne napędzane rozszczepieniem lub syntezą jądrową, naukowcy z NASA mogliby dostarczyć statek kosmiczny na Marsa w zaledwie 90 dni, jeśli Czerwona Planeta znajduje się w odległości 55 000 000 kilometrów od Ziemi.

Ale jeśli chodzi o podróż do Proxima Centauri, osiągnięcie przez rakietę nuklearną znacznego ułamka prędkości światła zajęłoby stulecia. Potem zajmie to kilka dekad podróży, po których nastąpi wiele stuleci spowolnienia w drodze do celu. Wciąż jesteśmy 1000 lat od celu. To, co jest dobre dla misji międzyplanetarnych, nie jest już tak dobre dla misji międzygwiezdnych.