Звездный атлас: зачем нужны карты космоса и почему они могут спасти человечество
В июне аспирантка кафедры биологии Вашингтонского университета Элеонора Лутц составила самую подробную карту орбит всех планет и космических тел в Солнечной системе — помимо восьми планет, в нее вошли орбиты 18 тыс. астероидов. Картографирование космоса — распространенное увлечение среди ученых и астрономов-любителей: за последние 400 лет появилось более 2 тыс. таких карт. «Хайтек» рассказывает о самых амбициозных проектах картографирования Вселенной и объясняет, как карты помогают обеспечить Земле безопасность, а науке — развитие.
Первым шагом в открытии новой границы, будь то ранее неизвестный остров, оконечность тектонической плиты или новые астрономические объекты, является ее фиксация на бумаге, камне, дереве или ином носителе.
Самое раннее изображение созвездия создано в позднем палеолите — древние предки человека, эмигрировавшие из Азии в Европу, нанесли изображение Пояса Ориона на бивень мамонта более 32,5 тыс. лет назад.
Спустя тысячи лет первые астрономы попытались зафиксировать на бумаге положение звезд на ночном небе — так появились полные звездные карты. Первая из них датирована 650 годом нашей эры. Звездный атлас нарисован в китайском городе Дуньхуане неизвестным астрономом на листе бумаги, а затем был спрятан в нишу храма. Обнаружить атлас удалось лишь в 1907 году — оригинал хранится в Британской библиотеке до сих пор.
В течение десяти веков после создания атласа из Дуньхуаня принципиально новых карт звездного неба не появлялось — для астрономов того времени космос был ограничен только объектами, видимыми невооруженным глазом, самыми яркими звездами и планетами. Ситуация изменилась с появлением первых телескопов в XVII веке. Они продвинули средневековую астрономию далеко вперед несмотря на то, что могли обеспечить только трех- и четырехкратное увеличение наблюдаемых объектов.
В XVIII–XX веках астрономия быстро развивалась, а границы карты звездного неба существенно расширялись. В 1785 году музыкант Уильям Гершель с помощью самодельного телескопа определил границы и форму Млечного пути, а принятие Астрономической шкалы расстояний, спектроскопия (анализ звездного света по длине волны) и астрофотография с длительной экспозицией позволили наблюдателям узнать спин, магнитное поле и состав звезд, определить их относительное движение и разглядеть туманности, галактики и тусклые звезды, которые до этого не удавалось увидеть в телескоп.
Астроном Эдвин Хаббл (в честь него назван орбитальный телескоп Hubble — «Хайтек») в 1923 году с помощью астрофотографии определил, что галактика Андромеда расположена отдельно от Млечного пути. Это подтвердило гипотезу о существовании во Вселенной множества галактик. Снимки Хаббла существенно изменили существующую на тот момент карту звездного неба и дали пространство для ее расширения и доработки.
Для чего нужны карты звездного неба?
Картографирование космоса помогает решить множество вопросов — многие из них так или иначе касаются безопасности Земли. Речь идет об отслеживании траектории астероидов и определении вероятности столкновения с нашей планетой; поиске новых миров на случай, если изменения климата, космические события или другие факторы заставят людей покинуть Землю; о глобальном экономическом кризисе, к которому приведет истощение полезных ископаемых на нашей планете.
Чтобы определить траекторию астероида, нужно знать, где он находится и по какой орбите вращается. Для высадки на потенциально пригодные для жизни планеты нужно знать, сколько и куда лететь. Чтобы найти внеземной источник ресурсов, нужно знать, где находятся подходящие астероиды для их добычи и какие планеты лучше превратить в космический заповедник.
Расположение и траектория движения галактик также важны — например, моделирование, основанное на положении Млечного пути и Большого Магелланова облака, показало, что через 2 млрд лет эти галактики столкнутся. Это событие разбудит огромную черную дыру в центре Млечного пути, которая разрушит всю галактику, а вместе с ней уничтожит Землю.
Положение на карте и состояние звездных систем в периферийных областях позволяет определить, какие события произошли с самой галактикой в прошлом. Как в случае с гигантским гало Млечного пути из газа и пыли, которое возникло в результате столкновения нашей галактики с компактным соседом около 10 млрд лет назад.
Другая задача картографирования — получение научных знаний о процессах, происходящих во Вселенной. Расположение галактик, звездных систем и других объектов в пространстве не позволит ориентироваться в далеком космосе, зато может ответить на вопрос, сколько темной материи и темной энергии находится во Вселенной — и даже понять, как она развивалась на ранних этапах своего существования.
Самая большая 3D-карта Вселенной и взгляд через темную материю
Создатели первых карт звездного неба пытались понять, как работают физические законы на Земле и какое влияние на нашу планету оказывают другие космические тела. Современные астрофизики пытаются понять законы существования Вселенной. Технический прогресс позволяет им ставить более амбициозные задачи, чем точечное наблюдение за астрономическими объектами через наземные и орбитальные телескопы.
В мае 2017 года астрономы из объединения Sloan Digital Sky Survey (SDSS) объявили о создании самой большой трехмерной карты Вселенной, используя в качестве ориентира квазары, молодые галактики со сверхмассивными черными дырами в центре. Когда сверхмассивная черная дыра поглощает материю из окружающей его галактики, температура в ее аккреционном диске увеличивается, создавая квазар, который является чрезвычайно ярким.
Аккреционный диск — газовый диск, который образуется вокруг компактных звездных остатков (белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр). Этот диск состоит либо из вещества, которое захвачено с поверхности соседних звезд, либо является остатками разорванных звезд или представляет собой межзвездную среду. Аккреционные диски играют ключевую роль в механизме гамма-всплесков, сопровождающих слияние нейтронных звезд и коллапс ядер сверхновых звезд. В результате таких событий диск разогревается и излучает инфракрасные волны, которые могут зафиксировать ученые на Земле.
С помощью телескопа Sloan Foundation исследователи измерили точные трехмерные положения для более чем 147 тыс. квазаров.
На сайте SDSS опубликована часть карты — в полной версии и с возможностью увеличения она доступна только ученым. Слева на рисунке изображена Земля, справа — предел наблюдаемой Вселенной. Временная шкала показывает, сколько свет от объекта шел до нашей планеты.
За два года до этого ученые из объединения «Обзор темной энергии» (DES) на заседании Американского астрофизического общества представили первую карту темной энергии.
С помощью 570-мегапиксельной камеры, прикрепленной к телескопу Victor Blanco в Чили, астрономы на тот момент проанализировали два миллиона галактик, а затем рассчитали, сколько темной энергии должно присутствовать между ними, чтобы вызвать любое наблюдаемое искажение. В результате ученые составили беспрецедентно подробную карту, которая охватывает 0,4% звездного неба.
Эксперимент длился шесть лет и завершился в январе 2019 года. За четыре года после выступления в Американском астрофизическом обществе исследователям удалось собрать данные еще о 280 млн галактик — сейчас участники объединения анализируют данные и в 2020 году представят карту темной материи, которая охватит 8% звездного неба.
Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME) вместо квазаров ориентируется на водород. Примерно через миллиард лет после рождения Вселенной после Большого взрыва заполнявший ее нейтральный водород превратился в ионизированный. Этот процесс известен как эпоха реионизации и является ключом к познанию природы Вселенной, какой мы ее видим сейчас.
Хотя ученые в общих чертах представляют себе последовательность событий, они не знают, как Вселенная наполнилась достаточным количеством излучения, чтобы перейти на новый этап своего развития, и что послужило этому причиной.
В CHIME считают, что улавливание ионизированного водорода позволит не только понять механизм устройства Вселенной, но и построить самую масштабную трехмерную карту пространства. Радиотелескоп представляет собой четыре полутрубки, которые вместе занимают территорию, равную футбольному полю. На нем установлено около тысячи антенн, которые улавливают радиоволны, а затем несколько сотен мощных процессоров анализируют данные.
Основная цель проекта — демистификация темной энергии, явления, стимулирующего расширение Вселенной путем создания первой подробной карты ранее непроницаемого для телескопов части Вселенной.
В 1998 году ученые обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Физики не знают, как или почему Вселенная ускоряется наружу, но они дали таинственной силе, стоящей за этим явлением, имя: темная энергия.
Ученые много знают о влиянии темной энергии, но не знают, что это такое. Космологи считают, что 68% всей энергии Вселенной должно быть сделано из материала. Один из способов лучше понять темную энергию и ее эффекты — создать подробные карты Вселенной, которые позволят следить за скоростью ее расширения.
Создать такую карту пытаются ученые из проекта DESI — она должна охватить 11 млрд световых лет и более 35 млн галактик и квазаров. Спектроскопический инструмент темной энергии — так расшифровывается аббревиатура — будет измерять спектры света, исходящего от галактик, чтобы определить их расстояния от Земли.
Источник
Где начало космоса?
Нам часто кажется, что космос очень далеко – великая и недосягаемая Вселенная большинством из нас созерцается лишь с поверхности Земли, но так ли на самом деле космос далеко?
Давайте начнём разбираться с того, что вообще такое – космос ? Современная наука относит к космосу пространство вне газовых оболочек небесных тел. Земной атмосферой считается область вокруг планеты, в которой воздушная среда вращается вместе с Землей как единое целое.
Чтобы определить с научной точки зрения начало космоса, нужно понять, где заканчивается атмосфера.
Провести строгую границу между атмосферой Земли и космосом не получится. Почему? Во-первых, чем больше будет высота, тем меньше будет плотность атмосферы. Во-вторых, космос не бывает абсолютно пустым. Даже за пределами галактик хоть один атом на один кубический метр, но всё – таки найдётся. Поэтому можно сказать, что атмосфера плавно перетекает в космос, стало быть, граница между нашей планетой и космосом будет условной.
Для газовой оболочки Земли характерна выраженная слоистость из 5 сфер, границы которых тоже весьма размыты.
Первой от земной поверхности расположена тропосфера. Здесь сосредоточено около 80% массы атмосферы. Высота ее колеблется от 8-10 км на полюсе до 16-18 км в тропиках. Это как раз тот слой, где «творится» погода – облака, дожди, грозы, словом, всё, что вам известно.
На вершине тропосферы находится тонкий слой, называемый тропопаузой , который является всего лишь «прослойкой» между тропосферой и стратосферой.
Вторая оболочка — стратосфера . Она начинается от 8-16 км и заканчивается до 50-55 км от поверхности Земли. В интервале 20-30 км проходит озоновый слой, защищающий все живое на планете от агрессивного воздействия ультрафиолетовых лучей. За счет их поглощения озоном происходит нагревание воздуха. Здесь летают большинство коммерческих авиалайнеров и путешествуют воздушные шары. Воздух в стратосфере не течет вверх и вниз, а движется параллельно поверхности в очень быстрых воздушных потоках. Поскольку стратосфера имеет более теплые температуры внизу и более прохладные наверху, конвекция (вертикальные перемещения воздушных масс) встречается редко в этой части атмосферы. Фактически, вы можете рассматривать из стратосферы кружащиеся под вами в тропосфере облака и даже бушующие бури.
После стратосферы идёт ещё одна «прослойка» — стратопауза .
От 50-55 км до 80 км простирается мезосфера . Верхняя область мезосферы является самым холодным естественным местом на Земле, где температура может опускаться ниже -143° C.
С 80 км до 500 км расположена термосфера . Газовый состав термосферы подобен приземному, но кислород переходит в атомарное состояние.
На высоте около 500 — 10 000 км над земной поверхностью находится экзосфера — внешний край атмосферы, граничащий с космосом. Здесь метеорологические спутники вращаются вокруг Земли. Это самый верхний, наиболее разреженный атмосферный слой. Он состоит из ионизированного газа (плазмы). Частицы здесь могут свободно удаляться в межпланетное пространство. Масса экзосферы меньше атмосферной в 10 млн раз. Нижняя граница начинается от 500 км над Землей, верхняя достигает нескольких тысяч километров.
По сути, космос начнется в экзосфере, где газовая среда не вращается как единое целое вместе с Землей.
Ниже границы с космосом совершаются аэродинамические полёты, выше этой границы – только космические полёты. Чем выше мы будем подниматься, тем большая скорость будет необходима для поддержания полёта. Так, на высоте около 100 км для орбитального полёта нужна будет первая космическая скорость – 7,9 км/с. Принято считать, что именно на высоте 100 км от Земли и начинается космос (хотя атмосфера ещё не закончилась!). Здесь же пролегает линия Кармана, названная в честь американского инженера Теодора фон Кармана. В XX веке он первым установил, что на этой высоте атмосфера становится настолько разреженной, что для продолжения движения вверх аппарат должен двигаться с первой космической скоростью. Позже астрономы провели более точные расчеты и вычислили, что атмосферные ветра полностью отсутствуют на высоте в 118 км, и там же появляются космические частицы. Так что до космоса всего 1 час езды на машине (если, конечно, ваша машина может ездить вертикально).
На самом деле, после линии Кармана достаточно большое сопротивление воздуха. Относительно стабильной является высота в 400 км – именно на ней и находится МКС. Выше МКС уже не поднимешь: там начинаются опасные радиационные пояса – место, где элементарные космические частицы, захваченные магнитным полем Земли, вынуждены годами скитаться вдоль магнитных линий. Пребывание в радиационных поясах несёт необратимые разрушительные последствия для организма – онкологические заболевания, мутации и прочие неприятности.
Можно ли считать, что мы освоили космическое пространство? Конечно же, нет. Да, хоть человеку и удалось вырваться за пределы ощутимой атмосферы и даже один раз слетать на Луну, всё равно этого пока ещё совсем недостаточно для того, чтобы гордо именовать себя «покорителями космоса». Настоящий космос, я думаю, начинается вовсе не в 100 км над головой, а там, где мы не будем чувствовать влияния магнитных полей Земли, её гравитации, а гравитационное поле нашей планеты перестанет ощущаться лишь на дистанции от неё в 1,5 млн км! Там людей ещё не было (расстояние от Земли до Луны = 380 000 км), но у человечества ещё всё впереди!
Источник