Электромагнитное излучение в космосе.
Наибольшая часть наших сведений о Вселенной получена благодаря исследованию света звезд. Свет, излучаемый звездой, распространяется в космосе в форме волны. Волна — это поднимающееся и опадающее периодическое колебание, которое переносит энергию от источника к приемнику без переноса вещества.
Световая волна — электромагнитное колебание. Световые волны переносят энергию от звезд (источник) к сетчатке нашего глаза (приемник). Расстояние от какой-либо точки на волне до следующей такой же самой точки, например, от гребня до гребня, называется длиной волны.
Человеческий глаз ощущает свет с очень короткой длиной волны. Волны, благодаря которым мы видим, называются видимым светом. Длины волн видимого света обычно измеряют в ангстремах. Один ангстрем равен одной стомиллионной доле сантиметра (10-8 см). Видимый свет имеет длины волн между 4000 А и 7000 А.
Различные длины волн видимого света воспринимаются как разные цвета. Расположение цветов по длинам волн называется спектром.
Видимый свет — это лишь небольшая доля всего электромагнитного излучения в космосе. Энергия переносится также в форме гамма-лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолетового излучения, инфракрасного излучения и радиоволн.
Нам известно, что гамма-лучи используют в медицине для лечения опухолевых заболеваний, а рентгеновские — для диагностики. Ультрафиолетовые лучи вызывают на теле загар, а инфракрасные — согревают. Радиоволны используются для связи.
Все эти формы излучения представляют собой тот же вид энергии, что и видимый свет. Отличаются они только длиной волны. Эта же причина приводит к резко различным свойствам излучения. Самые короткие волны (гамма-лучи) имеют наибольшую энергию, в то время как самые длинные (радиоволны) — наименьшую энергию.
Все семейство электромагнитного излучения, составленное согласно длинам волн, называется электромагнитным спектром.
Все виды электромагнитных волн распространяются в пустом пространстве с одной и той же скоростью, а именно со скоростью света. Скорость света в вакууме составляет примерно 299 793 км/с. Для расчетов берется значение 300 000 км/с. Ни один из известных объектов во Вселенной не может двигаться быстрее света. Во всех других средах (например, в воздухе, в стекле) скорость света меньше.
Световой год — это расстояние, которое проходит свет в пустоте за один год.
Задача. Сколько километров содержится в одном световом году?
1 св. год = скорость света x 1 год. Так как в 1 году содержится 3,156∙107 секунд, то 1 св. год = 299 793 км/с ∙ 3,156∙107 с = 9,46 триллионов км.
Волновое движение может быть описано либо с помощью понятия длины волны, либо с помощью понятия частоты. Частота волны — это число волн, которые прошли за данное время через данную точку пространства. Например, за 1 секунду. Количество колебаний в секунду измеряется в герцах (Гц).
Человеческий глаз воспринимает световые волны различных цветов, обладающие очень высокой частотой.
Для всех видов волнового движения справедливо соотношение:
V=v*λ, где V — скорость волны, ν — частота волны, λ — длина волны. Для электромагнитных волн в пустоте скорость V равна скорости света с.
Звезды, как и другие горячие тела, излучают энергию во всех длинах волн (закон излучения Планка). Чем горячее звезда, тем больше энергии она излучает. Температура звезды также определяет, какая длина волны соответствует самому интенсивному излучению.
Чем звезда горячее, тем на более короткие длины волн приходится максимум света. Это есть закон смещения излучения Вина. По цвету звезды можно узнать ее температуру. Горячие звезды выглядят бело-голубыми (короткие длины волн), а холодные — красными (длинные волны). Самые горячие (очень короткие длины волн) и самые холодные (очень длинные волны) практически невидимы.
Для астрономов важны электромагнитные волны всех длин, потому что каждая волна несет особенную ценную информацию о наблюдаемом объекте. Земная атмосфера поглощает большую часть излучения из космоса, и до телескопов, находящихся на земной поверхности, доходят лишь волны некоторых диапазонов.
Астрономы видят Вселенную с Земли через три «окна прозрачности»:
оптический (видимый), радио, инфракрасный. Современная техника дает возможность поднять инструменты над земной атмосферой, то есть, проводить наблюдения из космоса. Современная астрономия стала всеволновой — ей доступны все длины волн. Оказалось, что в различных диапазонах электромагнитного излучения небо «выглядит» совершенно по-разному. Объекты, яркие в одних лучах, могут быть невидимы в других, и наоборот. Например, на «радионебе» ярче всего «светит» центр нашей Галактики и отдельный источник в созвездии Кассиопеи — остаток взрыва Сверновой. В рентгеновских и гамма-лучах наблюдается множество источников, которые вообще не видны в других диапазонах, и о которых ранее даже не догадывались.
Электромагнитные волны разной длины воспринимаются разными приемниками излучения.
Приемником видимого света является человеческий глаз. Все оптические телескопы в итоге направляют световое излучение от звезд в глаз наблюдателя. На выходе телескопа можно также установить камеру с фотопленкой.
Существуют две основные конструкции оптических телескопов — рефракторы (преломляющие лучи линзовые системы) и рефлекторы (отражающие свет зеркальные устройства).
Увеличение телескопа определяется следующим образом:
увеличение = фокусное расстояние объектива / фокусное расстояние окуляра
Приемником радиоволн является антенна радиотелескопа. Чем больше размеры антенны, тем более слабый источник может «видеть» радиотелескоп. Основные достоинства радиотелескопов: 1) «видят» источники, скрывающиеся за облаками межзвездной пыли; 2) могут работать и днем и в облачную погоду; 3) изучают объекты, восприятие которых находится за пределами наших органов чувств.
Приемниками инфракрасного излучения являются специальные приборы — термопары и болометры. Они охлаждаются до температуры космического пространства и надежно защищаются от окружающей наземной среды. Существуют также и специальные фотопленки, чувствительные к тепловому инфракрасному излучению.
Астрофизика высоких энергий изучает объекты являющиеся источниками ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Приемниками этих видов волн являются особые составы — люминофоры, светящиеся под воздействием лучей и сложные устройства (пузырьковая камера, счетчик Гейгера), устанавливаемые на космических аппаратах-обсерваториях.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник
Половина света в космосе берётся неизвестно откуда
Новости с окраин Солнечной системы не на шутку взволновали астрономов.
Иллюстрация NASA/JHUAPL/SwRI.
Похоже, в тёмном пространстве космоса скрываются неведомые источники света.
Фото Pixabay.
В космосе слишком много света. Больше, чем можно объяснить излучением звёзд, галактик и любых других известных источников. Возможно, тёмная материя не такая уж и тёмная?
К такому удивительному выводу пришли учёные, исследовавшие небо с помощью оптической камеры космического аппарата New Horizons. Их научная статья принята к публикации в издание Astrophysical Journal. Пока же можно ознакомиться с её препринтом.
Вдали от городов небо в безлунную ночь кажется нам очень тёмным. Звёзды выглядят крошечными точками в непроглядной мгле.
Но для чувствительных камер и телескопов сплошная чернота распадается на множество звёзд и галактик, недоступных невооружённому глазу. Но и это ещё не всё. Есть и очень слабое фоновое сияние, исходящее как будто от самого неба.
Откуда же оно берётся? В основном это рассеянный космической пылью свет Солнца, звёзд и галактик. Кроме того, в этот фон вливаются лучи галактик и светил, слишком тусклых, чтобы их можно было рассмотреть как отдельные объекты даже в телескоп. Не исключено, что во Вселенной есть и другие источники света, ещё не учтённые астрономами.
Чтобы понять, сколько фонового света в тёмном космосе, лучше держаться подальше от Солнца. Ведь по мере удаления от светила становится меньше, во-первых, солнечных лучей, а во-вторых, рассеивающей свет пыли.
И здесь космический зонд «Новые горизонты» (New Horizons) может сослужить астрономам очень хорошую службу. Изначально он предназначался для исследования Плутона и с блеском выполнил эту миссию в 2015 году. В январе 2019 года он навестил ещё более далёкий объект – Аррокот, ранее известный как Ультима Туле.
В ближайшем будущем у зонда не предвидится новых встреч с небесными телами. Но он стал одним из очень немногих агентов человечества на окраинах Солнечной системы и может собрать уникальную информацию о царящих там условиях.
Авторы нового исследования использовали оптическую камеру «Новых горизонтов» под названием LORRI для изучения фонового света неба. Они проанализировали данные, собранные, когда зонд был в 42–45 раз дальше от Солнца, чем Земля.
Конечно, LORRI – не телескоп. Но так далеко от нашей родной звезды небо примерно в десять раз темнее, чем в окрестностях прославленного «Хаббла». И астрономы не упустили возможности поискать свет в такой непроглядной тьме.
Они изучили серию снимков, сделанных так, чтобы в кадр не попадала плоскость Млечного Пути. Исследователи учли все возможные источники света, включая известные звёзды, галактики и вклад рассеивающей свет космической пыли (количество которой ничтожно мало на столь далёких окраинах Солнечной системы, хотя всё же не равно нулю).
После этого у астрономов остался очень слабый, но вполне различимый фоновый сигнал: от 16±4 нВт/(м 2 ср) (нановатта на квадратный метр в стерадиане) до 19±4 нВт/(м 2 ср).
«Под подозрением» остался фактически только один источник света: тусклые галактики, которые неразличимы для камеры как отдельные объекты, но создают фоновое свечение. Тогда специалисты рассчитали, какой вклад должны давать эти далёкие объекты, и вычли его. Но от этого фоновый сигнал уменьшился… примерно наполовину. Теперь он составлял от 9±5 нВт/(м 2 ср) до 12±5 нВт/(м 2 ср).
Этот результат выглядит, мягко говоря, весьма неожиданно.
«Они говорят, что [откуда-то] извне галактик [исходит] столько же света, сколько изнутри галактик, и это, честно говоря, довольно сложно переварить», – признаётся Майкл Земцов (Michael Zemcov) из Рочестерского технологического института, не участвовавший в исследовании.
Несколько лет назад Земцов и его соавторы выполнили аналогичную работу. Тогда зонд находился ближе к Солнцу, и к тому же учёные использовали меньшее число изображений, чем сейчас. Так что измерения получились не такими точными, но они не противоречат новому результату.
Земцов считает недавнюю работу своих коллег заслуживающей внимания, но признаёт, что её результаты будет непросто объяснить.
Почему света в два раза больше чем ожидалось? Возможно, потому, что галактик вдвое больше, чем считают космологи. Но такая гипотеза выглядит очень смело.
«Очень трудно повернуться и сказать астрономическому сообществу: эй, ребята, мы не заметили половину всего, что есть на свете!», – резонно заключает Земцов.
Конечно, самый заманчивый вариант объяснения связан с тёмной материей. Астрономы очень хотят обнаружить хоть какое-то проявление этой таинственной субстанции, кроме её гравитации, поэтому готовы приписать ей любой необъяснённый эффект (разумеется, в порядке гипотезы). Ранее с ней связывали рентгеновское и гамма-излучение неизвестной природы.
Впрочем, тёмной материей, как и промыслом Божьим, можно объяснить что угодно. Но чрезвычайные утверждения требуют чрезвычайных доказательств. И прежде всего нужно исключить самую банальную и неинтересную версию: ошибку в расчётах.
Хотя статья принята к печати в авторитетный журнал, это ещё не гарантия, что авторы ни в чём не ошиблись. Необходимо, чтобы корректность их выводов проверило всё сообщество заинтересованных специалистов. И только тогда настанет время для смелых гипотез.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, сколько во Вселенной звёздного света и материи.
Источник
Сколько фотонов во Вселенной и почему свет не так быстр, как нам кажется?
Из чего состоят солнечные лучи? Насколько велика их скорость? На уроках физики в школе рассказывают, что свет имеет двойственную природу – это и волны, и частицы одновременно. Эти составные части излучения называют фотонами. Скорость света также не раз упоминалась в физических и математических задачах (300 тысяч километров в секунду), но наверняка многие люди не осознают, насколько это число, с одной стороны большое, а с другой стороны, – вовсе не бесконечное и даже маленькое.
Стремясь к цели сосчитать частицы света, нельзя забывать о возрасте Вселенной (по подсчётам учёных – 13,7 миллиарда лет). Поскольку даже те фотоны, которые были выпущены древней, давно умершей звездой, всё ещё движутся где-то в космосе, причём необязательно в видимом человеку излучении, такие частицы-волны способны накапливаться и в инфракрасном, и в ультрафиолетовом спектре. В сумме это называют внегалактическим фотонным излучением ( Extragalactic Background Light ).
Посчитать количество выпущенных звёздами фотонов учёным помогли галактические центры, выбрасывающие плазму – блазары. Их особенностью является то, что они ослабевают при прохождении через них фотонов. Именно это помогло исследователям оценить количество и интенсивность света, испущенного звёздами за время существования Вселенной. Было проанализировано 739 блазаров, и по подсчётам учётных суммарное число фотонов, испущенных звёздами за время существования Вселенной, достигло 4*10^84 частиц. И это число продолжает расти, ведь активные звёзды непрерывно испускают фотоны, а также в космосе постоянно рождаются новые светила.
Почему скорость света не такая большая, как нам кажется?
Недаром какие-то мгновенные, молниеносные действия сравнивают со скоростью света. Фотоны распространяются очень быстро – человек не способен определить задержку между, например, появлением луча из фонарика и тем моментом, когда он достигает препятствие на пути и освещает его. Величина скорости света постоянная. Она одинакова в любых условиях и составляет 3*10^8 метра в секунду.
Скорость света хоть и велика, но не бесконечна. Относительно маленькие расстояния (в сравнении с дистанциями в космосе) фотоны преодолевают за доли секунды, человек даже не замечает такие маленькие промежутки времени. Именно из-за этого явления людям кажется, будто свет достигает любой точки Вселенной мгновенно.
Однако в космическом пространстве всё немного по-другому. Здесь уже расстояния измеряются в сотнях миллионов и даже миллиардах километров. Например, Земля удалена от Солнца в среднем на 149 600 000 километров или 1,496*10^11 метров.
Чтобы найти время, за которое фотоны, выпущенные звездой, достигнут планеты, потребуется разделить расстояние на скорость света. В результате получится чуть больше 8 минут. А это уже вполне ощутимый человеком промежуток времени.
Если рассматривать объекты за пределами Солнечной системы, то миллиардов километров не хватит для измерений этих расстояний. Для этого используется специальная единица – «световой год». Это расстояние, преодолеваемое фотонами за один земной год. Тут уже свет вовсе не кажется таким молниеносным – ведь он доходит от источника до точки в космосе спустя годы!
Люди редко задумываются о том, что скорость распространения фотонов конечна, ведь на планете, где мы живем расстояния крошечные, если сравнивать их с удаленностью объектов в космосе. Однако если применять скорость света к масштабам Вселенной, то становится понятно, что свет проходит расстояние не моментально, а также, что размеры и дистанции в космосе значительно превышают привычные человеку.
Источник