Distanța până la stele. Determinarea distanțelor până la cele mai apropiate stele Mărimea vizibilă și absolută

Privind pe fereastra trenului

Calcularea distanței până la stele nu i-a îngrijorat prea mult pe vechii oameni, deoarece în opinia lor erau atașați de sfera cerească și se aflau la aceeași distanță de Pământ, pe care omul nu o putea măsura niciodată. Unde suntem noi și unde sunt aceste cupole divine?

Au fost necesare multe, multe secole pentru ca oamenii să înțeleagă: Universul este ceva mai complicat. Pentru a înțelege lumea în care trăim, a fost necesar să construim un model spațial în care fiecare stea să fie îndepărtată de noi la o anumită distanță, așa cum un turist are nevoie de o hartă pentru a urma un traseu, și nu de o fotografie panoramică a zonei. .

Primul asistent în această întreprindere complexă a fost paralaxa, cunoscută nouă din călătoriile cu trenul sau cu mașina. Ați observat cât de repede luminează stâlpii de pe marginea drumului pe fundalul munților îndepărtați? Dacă ai observat, atunci poți fi felicitat: tu, fără să vrei, ai descoperit o caracteristică importantă a deplasării paralactice - pentru obiectele apropiate este mult mai mare și mai vizibilă. Si invers.

Ce este paralaxa?

În practică, paralaxa a început să funcționeze pentru oamenii din geodezie și (unde am fi noi fără ea?!) în afacerile militare. Într-adevăr, cine, dacă nu artileriştii, trebuie să măsoare distanţele până la obiecte îndepărtate cu cea mai mare precizie posibilă? Mai mult, metoda de triangulare este simplă, logică și nu necesită utilizarea unor dispozitive complexe. Tot ceea ce este necesar este să măsurați două unghiuri și o distanță, așa-numita bază, cu o precizie acceptabilă, apoi, folosind trigonometria elementară, să determinați lungimea unuia dintre picioare. triunghi dreptunghic.

Triangularea în practică

Imaginați-vă că trebuie să determinați distanța (d) de la un țărm până la un punct inaccesibil al navei. Mai jos oferim un algoritm de acțiuni necesare pentru aceasta.

1. Marcați două puncte (A) și (B) de pe țărm, distanța dintre care o cunoașteți (l).
2. Măsurați unghiurile α și β.
3. Calculați d folosind formula:

Deplasarea paralaxă a celor dragistele pe un fundal îndepărtat

Evident, precizia depinde direct de dimensiunea bazei: cu cât este mai lungă, cu atât deplasările și unghiurile de paralaxă vor fi în mod corespunzător mai mari. Pentru un observator de pe Pământ, baza maximă posibilă este diametrul orbitei Pământului în jurul Soarelui, adică măsurătorile trebuie făcute la intervale de șase luni, când planeta noastră se află în punctul diametral opus al orbitei. O astfel de paralaxă se numește paralaxă anuală, iar primul astronom care a încercat să o măsoare a fost faimosul danez Tycho Brahe, renumit pentru pedanteria sa științifică excepțională și pentru respingerea sistemului copernican.

Poate că angajamentul lui Brahe față de ideea de geocentrism i-a jucat o glumă crudă: paralaxele anuale măsurate nu depășeau un minut de arc și puteau foarte bine să fie atribuite erorilor instrumentale. Astronomul cu conștiința curată a fost convins de „corectitudinea” sistemului ptolemaic - Pământul nu se mișcă nicăieri și se află în centrul unui Univers mic și confortabil, în care Soarele și alte stele sunt literalmente la îndemână, doar 15. – de 20 de ori mai departe decât Luna. Cu toate acestea, lucrările lui Tycho Brahe nu au fost în zadar, devenind fundamentul descoperirii legilor lui Kepler, care au pus capăt în cele din urmă teoriilor învechite ale structurii sistemului solar.

Cartografi stele

„riglă” spațială

Trebuie remarcat faptul că, înainte de a lua în serios stele îndepărtate, triangulația a funcționat excelent în casa noastră cosmică. Sarcina principală a fost de a determina distanța până la Soare, aceeași unitate astronomică, fără cunoașterea exactă a căror măsurători ale paralaxelor stelare devin lipsite de sens. Prima persoană din lume care și-a pus o astfel de sarcină a fost filozoful grec antic Aristarh din Samos, care a propus un sistem heliocentric al lumii cu o mie și jumătate de ani înainte de Copernic. După ce a făcut calcule complexe bazate pe cunoștințele destul de aproximative ale acelei epoci, el a descoperit că Soarele este de 20 de ori mai departe decât Luna. Timp de multe secole, această valoare a fost acceptată ca adevăr, devenind una dintre axiomele de bază ale teoriilor lui Aristotel și Ptolemeu.

Doar Kepler, apropiindu-se de a construi un model al sistemului solar, a supus această valoare unei reevaluări serioase. La această scară, nu a fost în niciun caz posibil să se conecteze date astronomice reale și legile de mișcare ale corpurilor cerești descoperite de el. Intuitiv, Kepler credea că Soarele este mult mai departe de Pământ, dar, fiind teoretician, nu a găsit o modalitate de a confirma (sau respinge) presupunerea sa.

Este curios că o estimare corectă a mărimii unității astronomice a devenit posibilă tocmai pe baza legilor lui Kepler, care stabilesc structura spațială „rigidă” a sistemului solar. Astronomii aveau o hartă exactă și detaliată a acesteia, pe care nu mai rămânea decât să determine scara. Așa au făcut francezii, Jean Dominique Cassini și Jean Richet, care au măsurat poziția lui Marte pe fundalul stelelor îndepărtate în timpul opoziției (în această poziție, Marte, Pământul și Soarele sunt situate pe aceeași linie dreaptă, iar distanța între planete este minim).

Punctele de măsurare au fost Paris și capitala Guyanei Franceze, Cayenne, la o bună distanță de 7 mii de kilometri. Tânărul Richet a mers în colonia sud-americană, iar venerabilul Cassini a rămas „muschetar” la Paris. La întoarcerea tânărului coleg, oamenii de știință s-au așezat să calculeze, iar la sfârșitul anului 1672 au prezentat rezultatele cercetărilor lor - conform calculelor lor, unitatea astronomică era egală cu 140 de milioane de kilometri. Ulterior, pentru a clarifica scara Sistemului Solar, astronomii au folosit tranzitele lui Venus pe discul solar, care au avut loc de patru ori în secolele XVIII-XIX. Și, poate, aceste studii pot fi numite primele proiecte științifice internaționale: pe lângă Anglia, Germania și Franța, Rusia a devenit un participant activ. Până la începutul secolului al XX-lea, scara sistemului solar a fost în cele din urmă stabilită și a fost acceptată sens modern unitate astronomică - 149,5 milioane de kilometri.

1. Aristarh a sugerat că Luna este sferică și iluminată de Soare. Prin urmare, dacă Luna pare „tăiată” în jumătate, atunci unghiul Pământ-Lună-Soare este corect.
2.   Apoi, Aristarh a calculat unghiul Soare-Pământ-Lună prin observație directă.
3.   Folosind regula „suma unghiurilor unui triunghi este de 180 de grade”, Aristarh a calculat unghiul Pământ-Soare-Lună.
4.   Folosind raportul de aspect al unui triunghi dreptunghic, Aristarh a calculat că distanța Pământ-Lună era de 20 de ori mai mare decât distanța Pământ-Soare. Notă! Aristarh nu a calculat distanța exactă.

Parsecs, parsecs

Cassini și Richet au calculat poziția lui Marte în raport cu stelele îndepărtate

Și cu aceste date inițiale era deja posibil să se pretindă acuratețea măsurătorilor. În plus, instrumentele goniometrului au atins nivelul cerut. Astronomul rus Vasily Struve, directorul observatorului universitar din orașul Dorpat (azi Tartu în Estonia), a publicat în 1837 rezultatele măsurării paralaxei anuale a lui Vega. S-a dovedit a fi egal cu 0,12 secunde de arc. Bagheta a fost ridicată de germanul Friedrich Wilhelm Bessel, un elev al marelui Gauss, care un an mai târziu a măsurat paralaxa stelei 61 din constelația Cygnus - 0,30 secunde de arc, și de scoțianul Thomas Henderson, care a „prins” faimosul Alfa. Centauri cu o paralaxa de 1,2.” Mai târziu, însă, s-a dovedit că acesta din urmă era oarecum exagerat și, de fapt, steaua se mișcă cu doar 0,7 secunde de arc pe an.

Datele acumulate au arătat că paralaxa anuală a stelelor nu depășește o secundă de arc. A fost adoptat de oamenii de știință pentru a introduce o nouă unitate de măsură - parsec („secunda paralactică” în abreviere). De la o distanță atât de nebună, conform standardelor obișnuite, raza orbitei pământului este vizibilă la un unghi de 1 secundă. Pentru a ne imagina mai clar scara cosmică, să presupunem că unitatea astronomică (și aceasta este raza orbitei Pământului, egală cu 150 de milioane de kilometri) a fost „micșurată” în 2 celule de notebook (1 cm). Deci: le poți „vedea” la un unghi de 1 secundă... de la doi kilometri!

Pentru adâncurile spațiului, un parsec nu este o distanță, deși chiar și lumina va dura trei ani și un sfert pentru a o depăși. În doar o duzină de parsecs, vecinii noștri stelari pot fi numărați literalmente pe o singură mână. Când vine vorba de scale galactice, este timpul să operați cu kilo- (o mie de unități) și megaparsec (respectiv un milion), care în modelul nostru „tetradă” pot pătrunde deja în alte țări.

Adevăratul boom al măsurătorilor astronomice ultra-precise a început odată cu apariția fotografiei. Telescoape „cu ochi mari” cu lentile lungi de un metru, plăci fotografice sensibile concepute pentru multe ore de expunere, mecanisme de ceas de precizie care rotesc telescopul sincron cu rotația Pământului - toate acestea au făcut posibilă înregistrarea cu încredere a paralaxelor anuale cu o acuratețe de 0,05 secunde de arc și, astfel, determină distanțe de până la 100 parsecs. Tehnologia pământească este incapabilă de mai mult (sau mai degrabă, mai puțin): atmosfera pământească capricioasă și neliniştită se pune în cale.

Dacă măsurătorile sunt efectuate pe orbită, precizia poate fi îmbunătățită semnificativ. În acest scop, în 1989, satelitul astrometric Hipparchus (HIPPARCOS, din engleza High Precision Parallax Collecting Satellite), dezvoltat de Agenția Spațială Europeană, a fost lansat pe orbita joasă a Pământului.

1. Ca rezultat al lucrării telescopului orbital Hipparchus, a fost întocmit un catalog astrometric fundamental.
2.   Cu ajutorul lui Gaia, a fost compilată o hartă tridimensională a unei părți a galaxiei noastre, indicând coordonatele, direcția de mișcare și culoarea a aproximativ un miliard de stele.

Rezultatul muncii sale este un catalog de 120 de mii de obiecte stelare cu paralaxe anuale determinate cu o precizie de 0,01 secunde de arc. Iar succesorul său, satelitul Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), lansat pe 19 decembrie 2013, desenează o hartă spațială a celor mai apropiate împrejurimi galactice cu un miliard (!) de obiecte. Și cine știe, poate nepoților noștri o vor găsi foarte utilă.

Și câte stele potențial explozive sunt situate la distanțe nesigure?

O supernova este o explozie a unei stele la o scară incredibilă – și aproape dincolo de limitele imaginației umane. Dacă Soarele nostru ar exploda ca o supernovă, unda de șoc rezultată probabil nu ar distruge întregul Pământ, dar partea Pământului îndreptată spre Soare ar dispărea. Oamenii de știință cred că temperatura planetei în ansamblu ar crește de aproximativ 15 ori. Mai mult, Pământul nu va rămâne pe orbită.

O scădere bruscă a masei Soarelui ar putea elibera planeta și o trimite să rătăcească în spațiu. Este clar că distanța până la Soare - 8 minute lumină - nu este sigură. Din fericire, Soarele nostru nu este o stea destinată să explodeze ca supernovă. Dar alte stele, în afara sistemului nostru solar, pot. Care este cea mai apropiată distanță de siguranță? Literatura științifică arată că între 50 și 100 de ani lumină este cea mai apropiată distanță de siguranță dintre Pământ și o supernova.

Imagine a Supernovai 1987O rămășiță vizibilă la lungimi de undă optică de la Telescopul Spațial Hubble.

Ce se întâmplă dacă o supernova explodează lângă Pământ? Să luăm în considerare explozia unei alte stele decât Soarele nostru, dar încă la o distanță nesigură. Să presupunem că o supernova se află la 30 de ani lumină distanță. Dr. Mark Reed, astronom senior la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică, spune:

„...dacă ar exista o supernova la aproximativ 30 de ani lumină depărtare, ar duce la impacturi severe asupra Pământului, posibil extincții în masă. Razele X și razele gamma mai energice dintr-o supernovă pot distruge stratul de ozon, care ne protejează de razele ultraviolete ale soarelui. De asemenea, ar putea ioniza azotul și oxigenul din atmosferă, ducând la formarea de cantități mari de protoxid de azot asemănător smog-ului în atmosferă”.

Mai mult, dacă o supernova ar exploda la 30 de ani lumină distanță, fitoplanctonul și comunitățile de recif ar fi afectate în mod deosebit. Un astfel de eveniment epuizează foarte mult baza lanțului trofic oceanic.

Să presupunem că explozia a fost puțin mai îndepărtată. Explozia unei stele din apropiere ar putea lăsa Pământul, suprafața sa și viața oceanică relativ neatinse. Dar orice explozie relativ apropiată ne-ar „aspăsa” cu raze gamma și alte particule energie mare. Această radiație poate provoca mutații în viața pământească. În plus, radiațiile provenite de la o supernova din apropiere ar putea schimba clima noastră.

Se știe că o supernova nu a explodat la o distanță atât de apropiată istoria cunoscută umanitatea. Cea mai recentă supernova vizibilă pentru ochi a fost Supernova 1987A, în 1987. Era la aproximativ 168.000 de ani lumină distanță. Înainte de aceasta, ultima erupție vizibilă pentru ochi a fost înregistrată de Johannes Kepler în 1604. La aproximativ 20.000 de ani lumină distanță, a strălucit mai puternic decât orice stea de pe cerul nopții. Această explozie a fost vizibilă chiar și în lumina zilei! Din câte știm, acest lucru nu a provocat niciun efect vizibil.

Câte supernove potențiale sunt mai aproape de noi decât la 50 până la 100 de ani lumină distanță? Răspunsul depinde de tipul de supernovă. O supernova de tip II este o stea masivă, îmbătrânită, care se prăbușește. Nu există stele suficient de masive pentru a face acest lucru la 50 de ani lumină de Pământ.

Dar există și supernove de tip I - cauzate de prăbușirea unei stele pitice mici, albe palide. Aceste stele sunt slabe și greu de detectat, așa că nu putem fi siguri câte sunt în jur. Probabil câteva sute dintre aceste stele se află pe o rază de 50 de ani lumină.

Dimensiunile relative ale IK Pegasi A (stânga), B (jos, centru) și Sun (dreapta).

Vedeta IK Pegasi B este cel mai apropiat candidat pentru rolul unui prototip de supernovă. Aceasta face parte din binar sistem stelar, situat la aproximativ 150 de ani lumină de Soarele nostru și de sistemul nostru solar.

Steaua principală din sistem, IK Pegasi A, este o stea obișnuită din secvența principală, nu spre deosebire de Soarele nostru. Potențiala supernova de tip I este o altă stea, IK Pegasi B, o pitică albă masivă care este extrem de mică și densă. Când steaua A începe să evolueze într-o gigantă roșie, este de așteptat să crească până la o rază în care se va ciocni cu o pitică albă sau va începe să tragă material din învelișul de gaz expandat al lui A. Când steaua B devine suficient de masivă, poate exploda ca o supernovă.

Ce zici de Betelgeuse? O altă stea adesea menționată în istoria supernovelor este Betelgeuse, una dintre cele mai strălucitoare stele de pe cerul nostru, parte a celebrei constelații Orion. Betelgeuse este o stea supergigant. Este în mod inerent foarte luminos.

Cu toate acestea, o astfel de strălucire are un preț. Betelgeuse este una dintre cele mai cunoscute stele de pe cer pentru că va exploda cândva. Energia enormă a lui Betelgeuse necesită ca combustibilul să fie consumat rapid (relativ vorbind), și de fapt Betelgeuse se apropie deja de sfârșitul vieții sale. Într-o zi în curând (din punct de vedere astronomic) va rămâne fără combustibil, iar apoi va avea loc o explozie spectaculoasă dincolo nova tipul II. Când se întâmplă acest lucru, Betelgeuse va deveni mai strălucitoare timp de câteva săptămâni sau luni, poate la fel de strălucitoare ca lună plinăși va fi vizibil în plină zi.

Când se va întâmpla asta? Probabil că nu în timpul vieții noastre, dar nimeni nu știe sigur. Ar putea fi mâine sau un milion de ani în viitor. Când se întâmplă acest lucru, toată lumea de pe Pământ va asista la un eveniment spectaculos pe cerul nopții, dar viața de pe Pământ nu va fi afectată. Acest lucru se datorează faptului că Betelgeuse este la 430 de ani lumină distanță.

Cât de des apar supernove în galaxia noastră? Nimeni nu stie. Oamenii de știință au sugerat că radiațiile de înaltă energie din supernove au provocat deja mutații în specii terestre, poate chiar în oameni.

Potrivit unei estimări, ar putea exista un eveniment periculos de supernovă în vecinătatea Pământului la fiecare 15 milioane de ani. Alți oameni de știință spun că, în medie, o explozie de supernovă are loc la 10 parsecs (33 de ani lumină) de Pământ la fiecare 240 de milioane de ani. Deci vezi că nu știm. Dar puteți compara aceste numere cu câteva milioane de ani - perioada în care se crede că oamenii au fost pe planetă - și patru miliarde și jumătate de ani pentru vârsta Pământului însuși.

Și, dacă o faci, vei vedea că o supernova va exploda cu siguranță lângă Pământ - dar probabil nu în viitorul previzibil al umanității.

ca( 3 ) Nu imi place( 0 )

Principiul paralaxei folosind un exemplu simplu.

O metodă pentru determinarea distanței până la stele prin măsurarea unghiului de deplasare aparentă (paralaxa).

Thomas Henderson, Vasily Yakovlevich Struve și Friedrich Bessel au fost primii care au măsurat distanțele până la stele folosind metoda paralaxei.

Diagrama locației stelelor pe o rază de 14 ani lumină de Soare. Inclusiv Soarele, există 32 de sisteme stelare cunoscute în această regiune (Inductiveload / wikipedia.org).

Următoarea descoperire (anii 30 ai secolului al XIX-lea) este determinarea paralaxelor stelare. Oamenii de știință au bănuit de mult că stelele ar putea fi asemănătoare cu soarele îndepărtați. Totuși, era încă o ipoteză și, aș spune, până atunci nu se baza practic pe nimic. A fost important să înveți cum să măsori direct distanța până la stele. Oamenii au înțeles cum să facă asta de mult timp. Pământul se învârte în jurul Soarelui și, dacă, de exemplu, astăzi faci o schiță exactă a cerului înstelat (în secolul al XIX-lea încă era imposibil să faci o fotografie), așteptați șase luni și schițați din nou cerul, veți observați că unele dintre stele s-au deplasat în raport cu alte obiecte îndepărtate. Motivul este simplu - acum ne uităm la stelele de pe marginea opusă a orbitei pământului. Există o deplasare a obiectelor apropiate pe fundalul celor îndepărtate. Este exact la fel ca și cum am privi mai întâi un deget cu un ochi și apoi cu celălalt. Vom observa că degetul este deplasat pe fundalul obiectelor îndepărtate (sau obiectele îndepărtate sunt deplasate față de deget, în funcție de cadru de referință pe care îl alegem). Tycho Brahe, cel mai bun astronom observator al erei pre-telescopiei, a încercat să măsoare aceste paralaxe, dar nu le-a detectat. De fapt, el a dat pur și simplu o limită inferioară a distanței până la stele. El a spus că stelele sunt cel puțin mai departe de aproximativ o lună lumină (deși un astfel de termen, desigur, nu ar putea exista încă). Și în anii 30, dezvoltarea tehnologiei de observare telescopică a făcut posibilă măsurarea mai precisă a distanțelor până la stele. Și nu este de mirare că trei persoane se află în părți diferite simultan Glob a efectuat astfel de observații pentru trei stele diferite.

Thomas Henderson a fost primul care a măsurat în mod formal distanța până la stele. El a observat Alpha Centauri în emisfera sudică. A avut noroc, a ales aproape accidental cea mai apropiată stea dintre cele vizibile cu ochiul liber în emisfera sudică. Dar Henderson credea că îi lipsește acuratețea observațiilor sale, deși a obținut valoarea corectă. Greșelile, în opinia sa, au fost mari și nu și-a publicat imediat rezultatele. Vasily Yakovlevich Struve a observat în Europa și a ales steaua strălucitoare a cerului nordic - Vega. A avut și noroc - ar fi putut alege, de exemplu, Arcturus, care este mult mai departe. Struve a determinat distanța până la Vega și chiar a publicat rezultatul (care, după cum s-a dovedit mai târziu, era foarte aproape de adevăr). Cu toate acestea, l-a clarificat de mai multe ori, l-a schimbat și, prin urmare, mulți au simțit că acest rezultat nu poate fi de încredere, deoarece autorul însuși îl schimba constant. Dar Friedrich Bessel a procedat diferit. El a ales nu o stea strălucitoare, ci una care se mișcă rapid pe cer - 61 Cygni (denumirea în sine spune că probabil că nu este foarte strălucitoare). Stelele se mișcă puțin unele față de altele și, în mod natural, cu cât stelele sunt mai aproape de noi, cu atât acest efect este mai vizibil. La fel ca într-un tren, stâlpii de pe marginea drumului clipesc foarte repede în afara ferestrei, pădurea se mișcă încet, iar Soarele stă de fapt nemișcat. În 1838 a publicat o paralaxă foarte sigură a stelei 61 Cygni și a măsurat corect distanța. Aceste măsurători au dovedit pentru prima dată că stelele sunt sori îndepărtați și a devenit clar că luminozitatea tuturor acestor obiecte corespundea valorii solare. Determinarea paralaxelor pentru primele zeci de stele a făcut posibilă construirea unei hărți tridimensionale a vecinătății solare. La urma urmei, a fost întotdeauna foarte important pentru o persoană să construiască hărți. A făcut lumea să pară puțin mai controlată. Iată o hartă, iar zona străină nu mai pare atât de misterioasă, probabil că acolo nu locuiesc dragoni, ci doar un fel de pădure întunecată. Apariția măsurării distanțelor până la stele a făcut, într-adevăr, cel mai apropiat cartier solar, la câțiva ani lumină distanță, ceva mai, ei bine, prietenos.

Acesta este un capitol dintr-un ziar de perete publicat de proiectul caritabil „Pe scurt și clar despre cele mai interesante lucruri”. Faceți clic pe miniatura ziarului de mai jos și citiți alte articole despre subiecte care vă interesează. Mulțumesc!

Materialul pentru ediție a fost oferit cu amabilitate de Serghei Borisovich Popov - astrofizician, doctor în științe fizice și matematice, profesor al Academiei Ruse de Științe, prezentator Cercetător Institutul Astronomic de Stat numit după. Sternberg din Moscova universitate de stat, câștigător al mai multor premii prestigioase în domeniul științei și educației. Sperăm că familiarizarea cu problema va fi utilă pentru școlari, părinți și profesori - mai ales acum că astronomia este din nou inclusă în lista materiilor școlare obligatorii (ordinul nr. 506 al Ministerului Educației și Științei din 7 iunie 2017). ).

Toate ziarele de perete publicate de proiectul nostru caritabil „Pe scurt și clar despre cele mai interesante” vă așteaptă pe site-ul k-ya.rf. Există, de asemenea

Pe 22 februarie 2017, NASA a raportat că 7 exoplanete au fost găsite în jurul stelei unice TRAPPIST-1. Trei dintre ele se află în intervalul distanțelor față de stea în care planeta poate avea apă lichidă, iar apa este o condiție cheie pentru viață. De asemenea, se raportează că acest sistem stelar este situat la o distanță de 40 de ani lumină de Pământ.

Acest mesaj a provocat mult zgomot în mass-media unii chiar au crezut că omenirea este la un pas de a construi noi așezări lângă o nouă stea, dar nu este așa. Dar 40 de ani lumină este mult, este MULT, sunt prea mulți kilometri, adică este o distanță monstruos de colosală!

Dintr-un curs de fizică, se cunoaște a treia viteză de evacuare - aceasta este viteza pe care trebuie să o aibă un corp la suprafața Pământului pentru a trece dincolo de sistemul solar. Valoarea acestei viteze este de 16,65 km/sec. Orbitală convențională nave spațialeîncepe cu o viteză de 7,9 km/sec și se învârte în jurul Pământului. În principiu, viteza de 16-20 km/sec este destul de accesibilă tehnologiilor pământești moderne, dar nu mai mult!

Omenirea nu a învățat încă să accelereze navele spațiale cu mai mult de 20 km/sec.

Să calculăm câți ani îi va dura unei nave stelare care zboară cu o viteză de 20 km/sec pentru a călători 40 de ani lumină și a ajunge la steaua TRAPPIST-1.
Un an lumină este distanța pe care o parcurge un fascicul de lumină în vid, iar viteza luminii este de aproximativ 300 de mii de km/sec.

O navă spațială creată de om zboară cu o viteză de 20 km/sec, adică de 15.000 de ori mai mică decât viteza luminii. O astfel de navă va acoperi 40 de ani lumină într-un timp egal cu 40*15000=600000 de ani!

O navă Pământeană (la nivelul actual de tehnologie) va ajunge la steaua TRAPPIST-1 în aproximativ 600 de mii de ani! Homo sapiens există pe Pământ (conform oamenilor de știință) de doar 35-40 de mii de ani, dar aici este de până la 600 de mii de ani!

În viitorul apropiat, tehnologia nu va permite oamenilor să ajungă la steaua TRAPPIST-1. Chiar și motoarele promițătoare (ioni, fotoni, vele cosmice etc.), care nu există în realitatea pământească, sunt estimate a fi capabile să accelereze nava la o viteză de 10.000 km/sec, ceea ce înseamnă că timpul de zbor către TRAPPIST. -1 sistem va fi redus la 120 de ani. Acesta este deja un moment mai mult sau mai puțin acceptabil pentru zbor folosind animație suspendată sau pentru mai multe generații de imigranți, dar astăzi toate aceste motoare sunt fantastice.

Chiar și cele mai apropiate stele sunt încă prea departe de oameni, prea departe, ca să nu mai vorbim de stelele galaxiei noastre sau ale altor galaxii.

Diametrul galaxiei noastre Calea Lactee este de aproximativ 100 de mii de ani lumină, adică călătoria de la un capăt la altul pentru o navă Pământeană modernă va fi de 1,5 miliarde de ani! Știința sugerează că Pământul nostru are 4,5 miliarde de ani, iar viața multicelulară are aproximativ 2 miliarde de ani. Distanța până la cea mai apropiată galaxie de noi - Nebuloasa Andromeda - la 2,5 milioane de ani lumină de Pământ - ce distanțe monstruoase!

După cum puteți vedea, dintre toți oamenii vii, nimeni nu va pune piciorul vreodată pe pământul unei planete în apropierea unei alte stele.

La un moment dat în viața noastră, fiecare dintre noi și-a pus această întrebare: cât timp durează să zbori spre stele? Este posibil să faci un astfel de zbor într-o singură viață umană, pot astfel de zboruri să devină norma vieții de zi cu zi? Există multe răspunsuri la această întrebare complexă, în funcție de cine întreabă. Unele sunt simple, altele sunt mai complexe. Sunt prea multe de luat în considerare pentru a găsi un răspuns complet.

Din păcate, nu există estimări reale care să ajute la găsirea unui astfel de răspuns, iar acest lucru îi frustrează pe futuriști și pasionații de călătorii interstelare. Fie că ne place sau nu, spațiul este foarte mare (și complex), iar tehnologia noastră este încă limitată. Dar dacă vom decide vreodată să părăsim „cuibul” nostru, vom avea mai multe modalități de a ajunge la cel mai apropiat sistem stelar din galaxia noastră.

Cea mai apropiată stea de Pământul nostru este Soarele, o stea destul de „medie”, conform schemei „secvenței principale” Hertzsprung-Russell. Aceasta înseamnă că steaua este foarte stabilă și oferă suficientă lumină solară pentru ca viața să se dezvolte pe planeta noastră. Știm că există și alte planete care orbitează în jurul stelelor în apropierea sistemului nostru solar și multe dintre aceste stele sunt similare cu ale noastre.

În viitor, dacă omenirea dorește să părăsească sistemul solar, vom avea o gamă largă de stele la care am putea merge, iar multe dintre ele ar putea avea condiții favorabile vieții. Dar unde vom merge și cât timp ne va dura să ajungem acolo? Rețineți că toate acestea sunt doar speculații și nu există linii directoare pentru călătoriile interstelare în acest moment. Ei bine, așa cum a spus Gagarin, să mergem!

Ajunge la o stea
După cum am menționat, cea mai apropiată stea de sistemul nostru solar este Proxima Centauri și, prin urmare, este foarte logic să începem să planificați o misiune interstelară acolo. Parte a sistemului de stele triple Alpha Centauri, Proxima se află la 4,24 ani lumină (1,3 parsecs) de Pământ. Alpha Centauri este, în esență, cea mai strălucitoare stea dintre cele trei din sistem, parte a unui sistem binar apropiat la 4,37 ani-lumină de Pământ - în timp ce Proxima Centauri (cea mai slabă dintre cele trei) este o pitică roșie izolată la 0,13 ani-lumină de dual. sistem.

Și, în timp ce vorbirea despre călătoriile interstelare amintește de tot felul de călătorii „mai rapide decât viteza luminii” (FSL), de la viteze warp și găuri de vierme până la unități subspațiale, astfel de teorii sunt fie extrem de fictive (cum ar fi unitatea Alcubierre), fie există doar în operă științifico-fantastică . Orice misiune în spațiul adânc va dura generații.

Deci, dacă începeți cu una dintre cele mai lente forme calatoria in spatiu, cât va dura să ajungi la Proxima Centauri?

Metode moderne

Problema estimării duratei călătoriei în spațiu este mult mai simplă dacă sunt implicate tehnologiile și corpurile existente în Sistemul nostru Solar. De exemplu, folosind tehnologia folosită de misiunea New Horizons, 16 motoare monopropulsante de hidrazină ar putea ajunge pe Lună în doar 8 ore și 35 de minute.

Există, de asemenea, misiunea SMART-1 a Agenției Spațiale Europene, care a fost propulsată spre Lună folosind propulsia ionică. Cu această tehnologie revoluționară, a cărei versiune a folosit-o și sonda spațială Dawn pentru a ajunge la Vesta, misiunea SMART-1 a durat un an, o lună și două săptămâni pentru a ajunge pe Lună.

De la nave spațiale cu rachetă rapidă până la propulsie ionică eficientă din punct de vedere al combustibilului, avem câteva opțiuni pentru a vă deplasa în spațiul local - în plus, puteți folosi Jupiter sau Saturn ca praștie gravitațională uriașă. Totuși, dacă intenționăm să mergem puțin mai departe, va trebui să creștem puterea tehnologiei și să explorăm noi posibilități.

Când vorbim despre metode posibile, vorbim despre cele care implică tehnologii existente, sau cele care încă nu există, dar sunt fezabile din punct de vedere tehnic. Unele dintre ele, după cum veți vedea, sunt testate în timp și confirmate, în timp ce altele rămân încă în discuție. Pe scurt, ele prezintă un scenariu posibil, dar foarte consumator de timp și costisitor financiar pentru a călători chiar și la cea mai apropiată stea.

Mișcare ionică

În prezent, cea mai lentă și mai economică formă de propulsie este propulsia ionică. Cu câteva decenii în urmă, propulsia ionică era considerată obiectul science-fiction. Dar în anii recenti Tehnologiile de suport al motoarelor ionice au trecut de la teorie la practică și cu foarte mult succes. Misiunea SMART-1 a Agenției Spațiale Europene este un exemplu de misiune de succes pe Lună într-o spirală de 13 luni de pe Pământ.

SMART-1 a folosit motoare ionice pornite energie solara, în care energia electrică era colectată de panouri solare și folosită pentru alimentarea motoarelor cu efect Hall. Pentru a livra SMART-1 pe Lună, au fost necesare doar 82 de kilograme de combustibil xenon. 1 kilogram de combustibil xenon asigură un delta-V de 45 m/s. Aceasta este o formă de mișcare extrem de eficientă, dar este departe de a fi cea mai rapidă.

Una dintre primele misiuni care a folosit tehnologia de propulsie ionică a fost misiunea Deep Space 1 către cometa Borrelli în 1998. DS1 folosea și un motor cu ioni xenon și consuma 81,5 kg de combustibil. După 20 de luni de tracțiune, DS1 a atins viteze de 56.000 km/h în momentul survolării cometei.

Motoarele ionice sunt mai economice decât tehnologia rachetei, deoarece forța lor pe unitate de masă de propulsor (impuls specific) este mult mai mare. Dar motoarele cu ioni durează mult pentru a accelera o navă spațială la viteze semnificative, iar viteza maximă depinde de suportul de combustibil și de cantitatea de electricitate generată.

Prin urmare, dacă propulsia ionică ar fi folosită într-o misiune la Proxima Centauri, motoarele ar trebui să aibă o sursă de putere puternică (putere nucleară) și rezerve mari de combustibil (deși mai puține decât rachetele convenționale). Dar dacă plecăm de la presupunerea că 81,5 kg de combustibil xenon se traduc în 56.000 km/h (și nu vor exista alte forme de mișcare), se pot face calcule.

La o viteză maximă de 56.000 km/h, ar fi nevoie de Deep Space 181.000 de ani pentru a parcurge cei 4,24 ani lumină dintre Pământ și Proxima Centauri. În timp, este vorba despre aproximativ 2.700 de generații de oameni. Este sigur să spunem că propulsia ionică interplanetară va fi prea lentă pentru o misiune interstelară cu echipaj.

Dar dacă motoarele ionice sunt mai mari și mai puternice (adică rata de ieșire a ionilor va fi mult mai mare), dacă există suficient combustibil pentru rachete pentru a rezista toți cei 4,24 ani lumină, timpul de călătorie se va reduce semnificativ. Dar va mai rămâne mult mai multă viață umană.

Manevra gravitațională

Cel mai rapid mod de a călători în spațiu este să folosești asistența gravitațională. Această tehnică implică nava spațială folosind mișcarea relativă (adică, orbita) și gravitația planetei pentru a-și schimba calea și viteza. Manevrele gravitaționale sunt o tehnică de zbor spațial extrem de utilă, mai ales atunci când se folosește Pământul sau o altă planetă masivă (cum ar fi un gigant gazos) pentru accelerare.

Nava Mariner 10 a fost prima care a folosit această metodă, folosind atracția gravitațională a lui Venus pentru a se propulsa spre Mercur în februarie 1974. În anii 1980, sonda Voyager 1 a folosit Saturn și Jupiter pentru manevre gravitaționale și accelerație până la 60.000 km/h înainte de a intra în spațiul interstelar.

Misiunea Helios 2, care a început în 1976 și avea scopul de a explora mediul interplanetar între 0,3 UA. e. și 1 a. e. de la Soare, înregistrarea îi aparține de mare viteză, dezvoltat folosind o manevră gravitațională. La acea vreme, Helios 1 (lansat în 1974) și Helios 2 dețineau recordul pentru cea mai apropiată apropiere de Soare. Helios 2 a fost lansat de o rachetă convențională și plasat pe o orbită foarte alungită.

Datorită excentricității mari (0,54) a orbitei solare de 190 de zile, la periheliu Helios 2 a reușit să atingă o viteză maximă de peste 240.000 km/h. Această viteză orbitală a fost dezvoltată numai datorită atracției gravitaționale a Soarelui. Din punct de vedere tehnic, viteza periheliului Helios 2 nu a fost rezultatul unei manevre gravitaționale, ci viteza sa orbitală maximă, dar încă deține recordul pentru cel mai rapid obiect creat de om.

Dacă Voyager 1 s-ar îndrepta către steaua pitică roșie Proxima Centauri cu o viteză constantă de 60.000 km/h, ar fi nevoie de 76.000 de ani (sau mai mult de 2.500 de generații) pentru a parcurge această distanță. Dar dacă sonda ar atinge viteza record a Helios 2 - o viteză susținută de 240.000 km/h - ar fi nevoie de 19.000 de ani (sau mai mult de 600 de generații) pentru a călători 4.243 de ani lumină. Semnificativ mai bun, deși nu este aproape practic.

Motor electromagnetic EM Drive

O altă metodă propusă pentru călătoria interstelară este RF Resonant Cavity Engine, cunoscut și sub numele de EM Drive. Propus în 2001 de Roger Scheuer, un om de știință britanic care a creat Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) pentru a implementa proiectul, motorul se bazează pe ideea că cavitățile electromagnetice cu microunde pot converti direct electricitatea în forță.

În timp ce motoarele electromagnetice tradiționale sunt proiectate pentru a propulsa o anumită masă (cum ar fi particulele ionizate), acest sistem de propulsie particular este independent de răspunsul la masă și nu emite radiații direcționate. În general, acest motor a fost întâmpinat cu o cantitate suficientă de scepticism, în mare parte pentru că încalcă legea conservării impulsului, conform căreia impulsul sistemului rămâne constant și nu poate fi creat sau distrus, ci doar modificat sub influența forței. .

Cu toate acestea, experimentele recente cu această tehnologie au condus aparent la rezultate pozitive. În iulie 2014, la cea de-a 50-a conferință comună de propulsie AIAA/ASME/SAE/ASEE din Cleveland, Ohio, oamenii de știință avansați în propulsie de la NASA au anunțat că au testat cu succes un nou design de propulsie electromagnetică.

În aprilie 2015, oamenii de știință de la NASA Eagleworks (parte a Centrului Spațial Johnson) au declarat că au testat cu succes motorul în vid, ceea ce ar putea indica posibile aplicații spațiale. În iulie același an, un grup de oameni de știință de la departamentul de sisteme spațiale din Dresda Universitatea de Tehnologieși-a dezvoltat propria versiune a motorului și a observat o forță vizibilă.

În 2010, profesorul Zhuang Yang din Northwestern Universitatea Politehnică din Xi'an, China, a început să publice o serie de articole despre cercetarea sa în tehnologia EM Drive. În 2012, ea a raportat o putere mare de intrare (2,5 kW) și o tracțiune înregistrată de 720 mN. De asemenea, a efectuat teste ample în 2014, inclusiv măsurători de temperatură internă cu termocupluri încorporate, care au arătat că sistemul funcționează.

Pe baza calculelor bazate pe prototipul NASA (care a fost estimat a avea o putere nominală de 0,4 N/kilowatt), o navă spațială alimentată cu electromagnetic ar putea călători la Pluto în mai puțin de 18 luni. Aceasta este de șase ori mai puțin decât a cerut sonda New Horizons, care se deplasa cu o viteză de 58.000 km/h.

Sună impresionant. Dar chiar și în acest caz, nava cu motoare electromagnetice va zbura la Proxima Centauri timp de 13.000 de ani. Aproape, dar încă nu suficient. În plus, până când toate i-urile sunt punctate în această tehnologie, este prea devreme să vorbim despre utilizarea ei.

Mișcarea nucleară termică și nucleară electrică

O altă posibilitate de zbor interstelar este utilizarea unei nave spațiale echipate cu motoare nucleare. NASA a studiat astfel de opțiuni de zeci de ani. O rachetă cu propulsie termică nucleară ar putea folosi reactoare cu uraniu sau deuteriu pentru a încălzi hidrogenul din reactor, transformându-l în gaz ionizat (plasmă de hidrogen), care ar fi apoi direcționat în duza rachetei, generând forță.

O rachetă cu propulsie nucleară folosește același reactor pentru a converti căldura și energia în electricitate, care apoi alimentează un motor electric. În ambele cazuri, racheta s-ar baza pe fuziunea nucleară sau fisiunea pentru a genera tracțiune, mai degrabă decât pe combustibilul chimic pe care funcționează toate agențiile spațiale moderne.

În comparație cu motoarele chimice, motoarele nucleare au avantaje incontestabile. În primul rând, are o densitate de energie practic nelimitată în comparație cu combustibilul pentru rachete. În plus, un motor nuclear va produce, de asemenea, o tracțiune puternică în raport cu cantitatea de combustibil utilizată. Acest lucru va reduce volumul de combustibil necesar și, în același timp, greutatea și costul unui anumit dispozitiv.

Deși motoarele nucleare termice nu au fost încă lansate în spațiu, au fost create și testate prototipuri și au fost propuse chiar mai multe.

Cu toate acestea, în ciuda avantajelor în ceea ce privește economia de combustibil și impulsul specific, cel mai bun concept de motor termic nuclear propus are un impuls specific maxim de 5000 de secunde (50 kN s/kg). Folosind motoare nucleare alimentate prin fisiune sau fuziune, oamenii de știință de la NASA ar putea livra o navă spațială pe Marte în doar 90 de zile dacă Planeta Roșie se află la 55.000.000 de kilometri de Pământ.

Dar când vine vorba de călătoria către Proxima Centauri, ar fi nevoie de secole pentru ca o rachetă nucleară să atingă o fracțiune semnificativă din viteza luminii. Apoi va fi nevoie de câteva decenii de călătorie, urmate de multe alte secole de încetinire pe drumul către obiectiv. Suntem încă la 1000 de ani de la destinație. Ceea ce este bun pentru misiunile interplanetare nu este atât de bun pentru cele interstelare.