Чем заполнен космический вакуум?
Так ли пуст космос как принято считать? Отличия светлых и темных туманностей и подсчет количества звездного вещества в чайной ложке космической пустоты
Принято считать, что космические пространства заполнены разве что вакуумом, то есть пустотой. Однако, такое утверждение не совсем верно.
Начнем хотя бы с того, что даже сами наши представления о вакууме, то есть безвоздушном пространстве, весьма относительны. Например, в электрической лампочке «нет воздуха», говорим мы, он оттуда выкачан. Сравнительно с комнатным воздухом там — вакуум. Но физик с помощью своих лучших насосов может так выкачать воздух из какой-либо стеклянной трубки, что по сравнению с ним пространство внутри электрической лампы будет просто кишеть мириадами молекул.
Так выглядит газовая диффузная туманность
Вот и космический вакуум также относителен. Газовые диффузные туманности, хотя и имеют плотность, меньшую чем одна миллиардная от миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре, но все же никак не могут считаться “пустотой”. Но и там, где нет ни звезд ни туманностей, тоже не царит абсолютное “ничто”. Оно также заполнено газом, пускай и ничтожной плотности. Вот и выходит, что космический вакуум это никакая не пустота, а та же газовая среда, хотя и ужасно разряженная.
Впрочем, не только газовая! На спектрографе космический вакуум “светится” громадным количеством атомов различных химических элементов, но преобладают среди них ничто иное как кальций. Сперва это вызывало недоумение, но потом выяснилось, что ионизированный кальций поглощает свет главным образом в тех двух своих линиях, которые находятся в легко наблюдаемой части спектра. Атомы других элементов поглощают свет либо в очень многих линиях, как, например, железо, либо в такой области спектра (ультрафиолетовой), которая недоступна для изучения из-за ее полного поглощения в нашей атмосфере.
Поэтому-то линии других межзвездных атомов, если они есть, либо вообще не могут быть обнаружены, либо они менее заметны, потому что их общее поглощение разбивается на много разных поглощений — в каждой линии понемногу. Поэтому нет оснований считать ионизированный кальций единственным или преобладающим газом в межзвездных далях. Фигурально выражаясь, он только заявляет о своем присутствии громче других.
Можно все же попытаться найти и другие межзвездные газы, хотя бы слабые следы их. И действительно, после специальных поисков в спектрах звезд был найден межзвездный натрий, титан, калий, железо, циан и даже углеводород.
Общая плотность поглощающего межзвездного газа в несколько тысяч раз меньше плотности излучающих свет газовых туманностей. Полная же плотность межзвездного газа значительно больше и составляет не менее одной миллионной от миллиардной части одной миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре. Если бы этот газ состоял из одного лишь водорода, то при такой плотности в 1 кубическом сантиметре содержалось бы только по одному атому, тогда как в таком же объеме комнатного воздуха их содержится 10 миллиардов миллиардов!
В действительности дело почти так и обстоит, так как водород на самом деле является главной составной частью межзвездного газа. Следующее за ним место занимает натрий, но на водород приходится 90% всей межзвездной среды, включая космическую пыль и метеориты. На долю последних приходится, как оказывается, ничтожная доля массы всей межзвездной среды, и больше всего в них весит самый легкий из газов.
И темные и светлые туманности которые мы видим с Земли, состоят из очень разряженных газов
Светлые туманности, то тут, то там видимые среди звезд и состоящие из газов, также светятся благодаря воздействию со стороны звезд, но в данном случае мы наблюдаем процесс так называемой флюоресценции – сама туманность не излучает света, а только отражает звездный, как правило исходящий от очень горячих звезд.
Подводя итог, хочу вновь задать вопрос, как и в начале: можно ли считать, что космос наполнен лишь пустотой? Нет, и мы в этом только что убедились. Однако, положа руку на сердце, мы должны признать и то, что такое утверждение не так уж далеко от действительности. Не смотря на наличие в космическом вакууме громадного числа атомов самых разных химический элементов, их количество, все-таки ничтожно мало.
В пределах доступной исследованиям части Вселенной на каждый кубический сантиметр звездного вещества приходится приблизительно 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров почти пустого пространства. А поскольку средняя плотность звезды лишь немного выше плотности воды, предыдущее утверждение можно перефразировать, сказав, что средняя плотность Вселенной порядка одного грамма на каждые 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров.
Это примерно в 10 триллионов раз меньше той плотности, которая считается высоким вакуумом, достигаемым при помощи обычной лабораторной техники.
Источник
Космический, физический и ложный вакуум
Очень часто говоря о космосе, люди представляют себе картину, где небесные объекты «висят» в некоей среде, которую в разные времена, в зависимости от научных концепций на данном витке знаний, называли эфиром, пустотой или вакуумом. В 21 веке учёные классифицируют эту космическую среду на виды и подвиды, — это абсолютный вакуум, технический вакуум, физический, космический и целый отряд ложных вакуумов.
Вообще, что такое вакуум? Почему их такое множество, и как их различить? Простое определение вакуума звучит также для понимания просто: «Вакуум — это среда с низким давлением, сильно отличающимся от атмосферного». Секрет кроется в слове «сильно». А инженеры и учёные сразу обратятся к цифрам. Итак, давление вещества в вакуумной среде (на стенки сосуда, откуда откачали воздух) должно быть меньше одной атмосферы или
101,35 кПа (килоПаскалей) на уровне моря. Вдумчивый читатель сразу спросит: а какое давление все-таки в вакуумной камере определяет вакуум?
Находясь на матушке Земле, дорогой читатель, начнём-ка нашу экскурсию в мир вакуумов с заводских и научно-исследовательских лабораторий. Сегодня самый востребованный вакуум на предприятиях — это Технический Вакуум. Он необходим заводам электронной аппаратуры и фармацевтическим фабрикам, медицинским и биотехнологическим институтам, радиобиологическим и экологическим лабораториям, а также на Большом адронном коллайдере в разгонных кольцах. Он подразделяется на несколько подвидов: низкий вакуум или форвакуум, высокий и сверхвысокий (или глубокий) вакуум.
Форвакуум содержит десять в шестнадцатой степени молекул в одном кубическом сантиметре. Высокий вакуум содержит в 100000 раз меньше молекул в кубическом сантиметре, чем форвакуум. А сверхвысокий вакуум — меньше высокого ещё в 10000 раз. Он хорош для электронных микроскопов. Технический Вакуум можно рассматривать как особое состояние почти пустой среды. Благодаря своим свойствам, — он не проводит тепло, — то его используют в сосудах Дьюара, где хранят и перевозят, например, жидкий азот.
А теперь давайте, перенесёмся в мир Физического Вакуума. Под этим термином понимают пространство, в котором совершенно отсутствуют реальные частицы атомарного вещества. Но. Физический Вакуум не пуст, — он заполнен неким энергетическим полем в наинизшем энергетическом состоянии, и физики называют его термином «квантованное поле». Оно имеет нулевой импульс, нулевой момент импульса и многие другие нулевые характеристики, важные, например, для исследователей, работающих в области физики высоких энергий на ускорителях (БАК, Тэватрон и др.). В энергетическом бульоне Физического Вакуума постоянно рождаются и исчезают нереальные, — виртуальные частицы. Эти процессы называется нулевыми колебаниями энергетического состояния вакуума. В этом случае говорят не о плотности вещества, а о плотности энергии в вакууме.
Рассуждая о Физическом Вакууме, специалисты, стараются понимать и такие необычные явления, как состояния вакуума, называемые Ложными Вакуумами. Конечно, этот вопрос интересен скорее учёным, нежели, скажем, садовникам. Упомянутые выше нулевые колебания Физического Вакуума иногда создают как бы дополнительные вакуумы с чуть большей энергией, чем нулевая. Но Ложный Вакуум существует очень недолго (в ограниченном локальном пространстве) и не способен породить реальные частицы. Через некоторое время этот энергетический пузырёк в бульоне других энергий «схлопывается» до истинного вакуума.
Что ж, дорогие читатели и экскурсанты, перейдём в другой мир и познакомимся, наконец, с Космическим Вакуумом. Это удивительное состояние материи волнует сегодня многих: от астрономов, космологов и физиков, до космонавтов, космических туристов, проектировщиков космических аппаратов и писателей-фантастов. Космический Вакуум, хотя и приближен к Физическому Вакууму, но он не является абсолютным или абсолютно пустым, в смысле заполнения его веществом и энергией. Основное наполнение Космического Вакуума — энергетические поля, космические лучи, плазма, радиоволны, фотоны (гамма-кванты) оптического и не оптического спектра (тепловые и рентген). Я не акцентирую внимания на тёмной материи и тёмной энергии, хотя об этом тоже не стоит забывать.
В глубоком космосе истинного вещества (молекул или атомов) остается чрезвычайно мало: от 1000 (в лучшем случае) до 1 штуки в 1 кубическом сантиметре. Вспомним, что средний радиус атома равен одному ангстрему или десяти в минус восьмой степени сантиметра. Учитывая размер атома по сравнению со стороной этого кубика, можно представить взаимодействие двух атомов, как общение двух тараканов, если один из них живёт в Вашингтоне, а другой в Москве. Даже если «размазать» тысячу атомов в этом объёме, то и на таком расстоянии атомы передать другу друг энергию или тараканы взаимно почесать мордочки усиками не смогут никак.
Естественно возникает вопрос. Если все небесные тела во Вселенной взаимодействуют между собой, тогда как передаются сигналы в космосе, в Космическом Вакууме? Прежде всего, вспомним об основных четырёх типах физического взаимодействия: — это электромагнитное, сильное (ядерное), слабое (с помощью калибровочных бозонов) и гравитационное взаимодействия и, соответственно, поля. Здесь как никогда уместна пословица: каждому овощу — своё время, а мы добавим: ещё и место. Отбросим из рассмотрения короткодействующие поля и обратим внимание только на электромагнитное и гравитационное.
Активные ядра галактик, живущие за счет сильных процессов, периодически могут взрываться, с выбросом колоссальной энергии, замагниченной плазмы, различных излучений в оптическом, ультрафиолетовом, рентгеновском и радиоволновом спектре и, конечно же, узконаправленные струи газа (как правило, их две). Газовые шлейфы вспышек тянутся от центра взрыва на десятки килопарсек. Скорость вещества в газовой струе достигает едва 500 км/сек (сравните со скоростью света) и постепенно уменьшается, а плотность вещества становится сравнимой со штучной в кубическом сантиметре.
Основная же масса газопылевых облаков и выброшенной плазмы увлекается мощнейшим гравитационным полем самого вращающегося ядра галактики и остаётся в области аккреционного диска, не выходя далее 3-4 килопарсек. Хотя вспышки и порождают космические галактические лучи, которые имеют космические скорости галактического ветра и, тем не менее, несут в себе очень разреженное количество вещества. Всё оно укладывается в понятие Космического Вакуума.
Очевидно, что для передачи обычных звуковых сигналов это количество вещества не годится. Поэтому в Космическом Вакууме механические продольные волны (или иначе волны плотности вещества или чередование областей сжатия и разрежения), иначе акустические колебания или звук не возникают. Львиная доля взрывной энергии (
90%) галактического ядра переходит в оптическое излучение, рентген и радиоизлучение, а не в вещество. Именно эти типы сигналов и распространяются в космосе.
Космический Вакуум — не просто слова и абстрактные рассуждения. Сегодня на орбитальных станциях он активно используется в сверхтонких процессах космической технологии: — это выращивание сверхчистых кристаллов для чувствительных детекторов, а также изготовление солнечных элементов на тонких пленках.
Дорогие читатели, мы не рассмотрели ещё мир Энштейновского вакуума, который необходим в общей и в специальной теории относительности. Однако это уже совсем другая история, и оставим его теоретикам поиграться в космологических уравнениях.
Источник
10 заблуждений о космосе, в которые стыдно верить
Эти мифы заботливо культивируются голливудскими фильмами и низкопробными фантастическими романами
Во многих фильмах можно увидеть такую картину: человек оказывается в открытом космосе без скафандра (либо с повреждённым скафандром) и быстро замерзает, превращаясь в хрупкую ледяную статую, трескающуюся от любого воздействия.
Что на самом деле. У космоса нет температуры. Он не холодный и не горячий — никакой Human Exposure to Vacuum : в вакууме нет конвекции и теплопроводности. Вообще, вакуум — хороший термоизолятор. Так что у астронавтов больше проблем с перегревом Staying Cool on the ISS , чем с переохлаждением.
И если вы окажетесь в космосе без скафандра в тени планеты, то, скорее всего, испытаете лёгкую прохладу из‑за испарения воды с поверхности кожи. Но до твёрдого состояния точно не заморозитесь.
z_k У астронавтов может быть проблема с перегревом, если они в скафандре и заняты физическим трудом, а это в среднем 300 Вт избыточной (та, что не в покое) энергии. Совсем другое дело открытые кожные покровы и вакуум с температурой -270 градусов. Вода будет переходить в пар мгновенно. Вряд ли это будет ощущением легкой прохлады.
2. Люди могут лопнуть в космосе
Бытует мнение, что в вакууме или в атмосфере с низким давлением, например на Марсе, человек может взорваться, как воздушный шарик. Глаза вылезут из орбит, сосуды полопаются, и незадачливый астронавт превратится в кровавое месиво.
Что на самом деле. Давление в вакууме отсутствует, и это может привести к тому, что ваши лёгкие лопнут The human body in space: distinguishing fact from fiction , если вы не выдохнете, прежде чем выпрыгнуть из корабля. В крови начнут появляться газовые пузырьки (это называется эбуллизм Ebullism at 1 million feet: ), на теле образуются отёки. Но кожа человека слишком упругая, и она не позволит вам взорваться.
Эксперименты Some cardiovascular responses in anesthetized dogs during repeated decompressions to a near‑vacuum на собаках показали, что в вакууме можно без последствий находиться до полутора минут, и после этого организм быстро восстановится. А вот более длительное пребывание летально из‑за гипоксии, то есть нехватки кислорода.
z_k Здесь все очень просто, проще некуда. Абсолютный вакуум — это всего лишь минус 1 атмосфера. Т.е. внутри тела 1 атмосфера, а за его пределами — вакуум. И все. А вот избыточное давление может быть огромным. Таким, какими технологиями мы на даннный момент обладаем. Водород, например, при 600 МПа — это уже жидкость. Т.е. это происходит при при давлении 6000 атмосфер. С твердыми телами могут быть достигуты и бОльшие значения.
3. У Луны есть тёмная сторона
Когда люди говорят «тёмная сторона Луны », то представляют себе мрачное место, куда никогда не падает солнечный свет. Наверное, именно поэтому там строят свои базы нацисты и десептиконы.
Что на самом деле. Все стороны Луны освещаются What Is the Dark Side of the Moon? Солнцем, и на ней есть день и ночь — правда, длятся они по две недели. Тем не менее у спутника Земли есть обратная сторона. Но из‑за того, что период вращения вокруг нашей планеты и вокруг собственной оси у Луны схожи, с Земли видно только одно её полушарие. А первые снимки другого были сделаны советской АМС «Луна‑3» ещё в 1959 году. И ничего особо таинственного там нет.
z_k Думаю, что немногие акцентировали на этом свое внимание. И мало, кто задумывался, почему «The Dark Side of the Moon»?
4. Чёрные дыры выглядят как воронки
Из‑за фильмов и картинок в интернете многие люди полагают, что чёрные дыры выглядят как вихрь, засасывающий всё вокруг себя. Или как воронка в раковине, куда стекает вода.
Что на самом деле. Впервые чёрную дыру показали реалистично в фильме «Интерстеллар», основываясь на теоретических моделях физика Кипа Торна. Уже позже NASA сделало первый её снимок с помощью системы из восьми радиотелескопов Event Horizon Telescope. В реальности чёрная дыра выглядит не как воронка, а как тёмная сфера, окружённая аккреционным диском из падающего на неё газа.
5. Солнце жёлтое
Если вы попросите кого‑нибудь нарисовать наше светило, то начинающий художник непременно возьмёт жёлтый карандаш. Взгляните на Солнце, и убедитесь, что оно имеет такой оттенок.
Что на самом деле. Желтоватым Солнце делает наша атмосфера. И если взглянуть на снимки из космоса, становится понятно, что его цвет — белый Color of Stars . Но мы так привыкли считать Солнце жёлтым, что даже учёные классифицируют похожие на него звёзды как «жёлтые карлики» просто для удобства.
z_k Здесь все понятно. Всем хоть раз приходилось покупать лампы освещения. Если они 2700 градусов (цветовая температура), то они желтого свечения, если
5000 градусов и выше , то — от белого до голубого. Зная, что температура поверхности Солнца составляет
6000 градусов, нетрудно догадаться о цвете нашего светила в космосе. Все остальные цветовые эффекты связаны с состоянием атмосферы Земли.
6. Первой в космос полетела собака Лайка
Кто первым полетел в космос? Конечно, Юрий Гагарин. А из братьев наших меньших? Собака по имени Лайка, это всем известно. Она была обычной дворнягой из приюта, отправившейся первой покорять космос.
Что на самом деле. Лайка действительно первой оказалась на орбите Земли. Но в космосе бывали живые существа и до неё. В феврале 1947 года американцы с помощью трофейной немецкой ракеты «Фау‑2» отправили в суборбитальный полёт несколько плодовых мушек (дрозофил), чтобы изучить на них воздействие космической радиации. Они долетели до высоты в 109 км, а границей космоса считается отметка в 80 км. Так что первыми его увидели мухи.
z_k Вопрос далеко не философский. Чего проще напихать в банку мух. И, не то же самое, отправить на орбиту собаку. Это две большие разницы.
7. NASA потратило миллиарды на пишущую в космосе ручку
Простыми ручками в космосе пользоваться нельзя, потому что чернила в стержне там не могут стекать вниз. И, согласно одной городской легенде NASA’s ‘Astronaut Pen’ , чтобы астронавты всё-таки смогли вести записи, NASA потратило 12 миллиардов долларов на изобретение специальной ручки. Она способна писать вверх ногами на любой поверхности при температуре от 0 до 300 °С. Советские же космонавты просто пользовались карандашами. Вот она, русская смекалка.
Что на самом деле. Поначалу и американцы, и русские пользовались в космосе карандашами, но это приводило к ряду проблем: частицы графита отслаивались и попадали в воздушные фильтры космических кораблей. А специальную ручку изобрёл Пол Фишер из Fisher Pen Company, и сделал он это независимо от NASA. Мужчина продал ведомству 400 штук по 2,95 доллара за каждую.
Наши космонавты тоже пользовались такими ручками. В своё время их закупали для работы на станции «Мир». Кстати, если хотите, можете тоже приобрести себе космическую ручку.
8. Через пояс астероидов трудно пролететь
Помните, как в «Звёздных войнах» Хан Соло мастерски пилотировал свой «Тысячелетний сокол», чтобы пробраться через пояс астероидов? Он умудрился обогнуть множество этих космических тел, да ещё и от погони имперских истребителей оторвался, хотя ежесекундно рисковал врезаться в парящие повсюду каменные глыбы.
Что на самом деле. В нашей Солнечной системе тоже есть свой пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Астрономы не уверены, сколько там каменных глыб, и называют приблизительное число в 10 миллионов. Но вы, даже не будучи крутым пилотом вроде Соло, легко пролетите сквозь них. Потому что среднее расстояние между астероидами в поясе — полтора миллиона километров. Это примерно в четыре раза больше, чем расстояние между Землёй и Луной.
Поэтому, чтобы в реальности врезаться в астероид, понадобится немалое старание и тщательные орбитальные манёвры. Вероятность не то что столкновения, но и просто незапланированного сближения космического корабля с каменной глыбой составляет New Horizons Crosses The Asteroid Belt менее чем один к миллиарду.
z_k Здесь все просто, важно только представлять массштабы космоса. Примерно та же ситуация в кольцах Сатурна.
9. Космические корабли летают по прямой
В фильмах космические аппараты легко перемещаются из одного места в другое, просто развернувшись прямо к цели и включив двигатели. Точно так же, как автомобили или корабли на Земле. А если космолёту надо сесть на планету, он просто устремляется в её атмосферу на полной скорости.
Что на самом деле. В реальности Ценный дар небесной механики космические аппараты двигаются от одной орбиты к другой по дугообразной гомановской траектории. И у них при этом отключены двигатели. Они включаются два раза, для разгона в начале и для торможения в конце, остальной путь корабль проделывает по инерции.
Если хотите самостоятельно поуправлять шаттлом и вживую увидеть движение по гомановской траектории, попробуйте поиграть в космический симулятор Kerbal Space Program. Он даёт наглядное представление об основах орбитальной механики.
Да, и ещё: корабли, собирающиеся приземлиться, сходят с орбиты, развернувшись двигателями по ходу движения, чтобы затормозить. В голливудских блокбастерах вроде «Прометея» такого не покажут, чтобы у зрителя не возникло вопроса, почему челноки летают задом наперёд.
z_k Здесь все сложно. И обычный человек вряд ли в состоянии представить себе, что лететь нужно не на планету, а в точку, где она появится в нужное время. Еще сложнее представить себе планетарную пращу, чтобы понять, как можно ускориться, не прикладывая к этому никаких усилий.
10. Летом тепло, потому что Земля ближе к Солнцу
Смена времён года вызвана меняющимся расстоянием от Земли до Солнца. Логично, правда? К сожалению, иногда так думают не только маленькие дети, но и вполне взрослые люди.
Что на самом деле. Орбита Земли не совсем круглая — она эллиптическая. Наша планета достигает перигелия (точки на орбите, ближайшей к Солнцу) в январе и афелия (самой дальней точки от Солнца) примерно через шесть месяцев. Если бы от этого зависела погода, у нас было бы лето в январе и зима в июле.
Сезоны меняются What causes the seasons? из‑за наклона оси вращения Земли относительно её орбитальной плоскости (эклиптики). Движение по орбите действительно вызывает температурные колебания в пределах 5 °С, но этого недостаточно, чтобы устроить смену времён года.
z_k Человек, знающий, что такое апогелий и перигелий может быть сбит с толку. Диссонанс возникает лишь тогда, когда мы понимаем, что времена года в южном и северном полушарии не зависят от удаленности Земли от нашего Светила. Но, вспомнив, что угол наклона оси вращения нашей планеты от оси эклиптики равен 23 градусам, мы все расставляем по местам.
Источник