Расстояния до звезд
Как далеки от нас звезды?
Сколько бы мы ни вглядывались в небо темной ночью, простые наблюдения не дадут нам ответа на этот вопрос. Очевидно, что звезды очень далеки — они дальше солнца и луны (наш спутник частенько покрывает собой звезды), и, по всей вероятности, дальше всех планет. Но вот насколько далеко?
Николай Коперник был первым астрономом, который перевел рассуждения на эту тему в практическую плоскость. Как известно, Коперник построил теорию, согласно которой в центр мира помещалось Солнце, а не Земля. Это допущение помогло упростить теорию движения планет, а также объяснило некоторые странности в их поведении. Согласно Копернику Земля также вращалась вокруг Солнца — по широкой орбите с периодом в один год. Как следствие, звезды должны были видеться под разным углом в разные сезоны, скажем, весной и осенью, когда Земля находится на противоположных участках своей орбиты.
Коперник пытался найти эти смещения — параллаксы звезд, наблюдая за высотой нескольких избранных звезд на протяжении года. Но звезды не показывали никаких смещений. Очевидно, они находились слишком далеко для того, чтобы их параллаксы можно было заметить невооруженным глазом.
Даже изобретение телескопа не помогло астрономам решить этот вопрос. Параллаксы были настолько малы, что трудности при их определении многократно превышали возможности астрономов XVII-XVIII веков. Первые параллаксы были успешно измерены лишь около двухсот лет назад, после возникновения прецизионной техники наблюдений. Оказалось, что звезды находятся невероятно далеко — в несколько раз дальше, чем предполагали многие не самые оптимистические расчеты. Только вдумайтесь — даже свет, способный долететь от Земли до Луны менее чем за полторы секунды, тратит годы на путешествие от звезд к Земле! Столь большие расстояния невозможно себе даже представить!
Но и среди звезд есть такие, которые находятся к нам ближе, чем большинство, а есть такие, которые находятся дальше.
Возьмем для примера звезды Летнего треугольника — главного рисунка летнего неба. Две звезды из трех — Вега и Альтаир — относительно близки к нам. От Веги до Земли свет идет порядка 25 лет. Это эквивалентно расстоянию в 240 триллионов километров. Альтаир находится еще ближе — эта звезда входит в сотню ближайших звезд к Солнцу. Расстояние до нее измеряется 17 световыми годами.
Вега, Альтаир и Денеб — три звезды летнего треугольника, имеющие схожий блеск, но находящиеся от нас на разном расстоянии. Рисунок: Stellarium
Совсем другое дело Денеб, самая тусклая звезда в составе Летнего Треугольника, формирующая его левый верхний угол. Расстояние до Денеба столь велико, что обычным способом его не измерить — погрешность измерений велика. Для таких далеких космических объектов астрономам пришлось разработать специальные, косвенные, методы определения расстояний. Эти методы не очень точны на малых расстояниях, но хорошо работают на расстояниях в тысячи световых лет.
Оказалось, что расстояние до Денеба равняется 2750 световых лет. Эта звезда находится в 160 раз дальше от нас, чем Альтаир, и в 110 раз дальше Веги!
Сравнение Солнца (желтый кружок) и голубой звезды-сверхгиганта Денеба. Рисунок: Большая Вселенная
Денеб очень необычная звезда. Вега и Альтаир, помещенные на ее место, были бы совершенно не видны простым глазом, а Денеб наблюдается прекрасно, менее, чем вдвое уступая в блеске Альтаиру. Очевидно, яркость Денеба очень велика. Действительно, Денеб обладает совершенно фантастической светимостью — только 196000 солнц дадут такой же поток излучения, как эта голубовато-белая звезда! Посмотрите ночью на звездное небо: на нем вы не найдете звезд более высокой светимости. Ни одна из звезд, видимых невооруженным глазом (может быть, за исключением Ригеля), не светит так интенсивно, как Денеб.
Все эти ошеломительные факты о звездах стали известны исключительно благодаря тому, что мы научились определять расстояния в космосе. Но на достигнутом астрономы останавливаться не собираются: сейчас в космосе работает европейский космический телескоп Gaia, цель которого — собрать параллаксы более чем миллиарда звезд с невиданной точностью. Через несколько лет данные с Gaia помогут более точно вычислить расстояние до Денеба, и даже до еще более далеких звезд. Это позволит астрономам построить первую трехмерную карту Галактики.
Источник
Сколько займет путешествие до ближайшей звезды?
Объекты глубокого космоса > Звезды > Сколько займет путешествие до ближайшей звезды?
Современное человечество тратит усилия на освоения родной Солнечной системы. Но сможем ли мы отправиться на разведку к соседней звезде? И сколько времени займет путешествие до ближайшей звезды? На это можно ответить очень просто или же углубиться в область научной фантастики.
Если говорить с позиции сегодняшних технологий, то реальные цифры отпугнут энтузиастов и мечтателей. Давайте не будем забывать, что космические дистанции невероятно огромные, а наши ресурсы все еще ограничены.
Ближайшая звезда к планете Земля – Солнце. Это средний представитель главной последовательности. Но вокруг нас сосредоточено множество соседей, так что уже сейчас можно создать целую карту маршрутов. Вот только, как долго туда добираться?
Какая звезда является ближайшей
Ближе всего к Земле расположена звезда Проксима Центавра, так что пока следует строить свои расчеты на основе ее характеристик. Входит в состав тройной системы Альфа Центавра и отдалена от нас на расстояние 4.24 световых лет. Это изолированный красный карлик, расположенный в 0.13 световых лет от двойной звезды.
Вид на Проксиму Центавра с поверхности потенциальной экзопланеты. Иллюстрация глазами художника
Как только всплывает тема межзвездных путешествий, все тут же вспоминают о скорости деформации и прыжках в червоточины. Но все они либо пока недостижимы, либо абсолютно невозможны. К сожалению, на любую дальнюю миссию уйдет не одно поколение. Начнем разбор с самых медленных способов.
Сколько займет путешествие до ближайшей звезды сегодня
Легко делать расчет на основе уже имеющейся техники и пределах нашей системы. Например, миссия «Новые Горизонты» использовала 16 двигателей, функционирующих на гидразиновом монотопливе. Чтобы добраться до Луны, потребовалось 8 часов 35 минут. А вот миссия SMART-1 основывалась на ионных двигателях и добиралась к земному спутнику 13 месяцев и две недели.
Значит, у нас есть несколько вариантов транспортного средства. К тому же можно использовать Юпитер или Сатурн в качестве гигантской гравитационной рогатки. Но если мы планируем отправиться так далеко, нужно проверить все возможные варианты.
Сейчас мы говорим не только о существующих технологиях, но и о тех, которые в теории можно создать. Некоторые из них уже проверены на миссиях, а другие пока только оформлены в виде чертежей.
Это наиболее медленный способ, зато экономичный. Еще несколько десятков лет назад ионный двигатель считался фантастическим. Но сейчас его используют во многих аппаратах. Например, миссия SMART-1 с его помощью добралась к Луне. В этом случае использовался вариант с солнечными батареями. Таким образом, он потратил всего 82 кг ксенонового топлива. Здесь мы выигрываем по эффективности, но точно не в скоростях.
Художественное представление миссии Dawn к Церере. Корабль повернут, чтобы продемонстрировать голубое свечение ионного двигателя
Впервые ионным двигателем воспользовались для Deep Space 1, летевшего к комете 19P/Борелли (1998 год). Аппарат использовал тот же тип двигателя, что и SMART-1, потратив всего 81.5 кг пропеллента. За 20 месяцев путешествия ему удалось разогнаться до 56000 км/ч.
Ионный тип считается намного экономичным, чем ракетные технологии, потому что тяга на единицу массы взрывчатого вещества намного выше. Но на ускорение уходит много времени. Если бы их планировали использовать для поездки от Земли к Проксима Центавра, то понадобилось бы очень много ракетного топлива. Хотя можно взять за основу предыдущие показатели. Итак, если аппарат будет двигаться на скорости в 56000 км/ч, то дистанцию в 4.24 световых года он преодолеет за 2700 человеческих поколений. Так что вряд ли его используют для пилотируемой полетной миссии.
Ионный двигатель: проигрывает по скорости, но выигрывает с точки зрения экономии
Конечно, если заправить его огромным количеством топлива, то можно увеличить скорость. Но время прибытия все равно займет стандартную человеческую жизнь.
Это популярный метод, так как позволяет использовать орбиту и планетарную гравитацию, чтобы изменить маршрут и скорость. Им часто пользуются для путешествий к газовым гигантам, чтобы увеличить скорость. Впервые это попробовал Маринер-10. Он полагался на гравитацию Венеры, чтобы достичь Меркурия (февраль 1974 год). В 80-е Вояджер-1 использовал спутники Сатурна и Юпитера, чтобы разогнаться до 60000 км/ч и перейти в межзвездное пространство.
Но рекордсменом по скорости, добытой при помощи силы тяжести, стала миссия Гелиос-2, отправившаяся на изучение межпланетной среды в 1976 году.
Зонд Гелиос готовится к запуску
Из-за большого эксцентриситета 190-дневной орбиты, аппарат смог разогнаться до 240000 км/ч. Для этого использовалась исключительно солнечная гравитация.
Что ж, если мы отправим Вояджер-1 на скорости в 60000 км/ч, то придется ждать 76000 лет. У Гелиос-2 на это ушло бы 19000 лет. Это быстрее, но недостаточно.
Есть еще один способ – радиочастотный резонансный двигатель (EmDrive), предложенный Роджером Шавиром в 2001 году. Он базируется на том, что электромагнитные микроволновые резонаторы могут позволить преобразить электрическую энергию в тягу.
Если обычные электромагнитные двигатели предназначены для движений конкретного типа массы, то этот не использует реакционную массу и не вырабатывает направленного излучения. Этот вид был встречен с огромной долей скептицизма, потому что нарушает закон сохранения импульса: система импульса внутри системы остается постоянной и изменяется только под действием силы.
Прототип EmDrive, созданный НАСА
Но недавние эксперименты потихоньку переманивают к себе сторонников. В апреле 2015 года исследователи заявили, что успешно протестировали диск в вакууме (значит, может функционировать в космосе). В июле они уже построили свою версию двигателя и выявили заметную тягу.
В 2010 году за серию статей принялась Хуан Ян. Она закончила финальной работой в 2012 году, где сообщила о более высокой входной мощности (2.5 кВт) и испытанных условиях тяги (720 мН). В 2014 году она также добавила некие подробности об использовании внутренних температурных изменений, подтвердивших работоспособность системы.
Межзвездный корабль, оснащенный EмDrive
Если верить расчетам, аппарат с таким двигателем, может долететь к Плутону за 18 месяцев. Это важные результаты, ведь отображают 1/6 времени, которое потратил Новые Горизонты. Звучит неплохо, но даже в этом случае для путешествия к Проксима Центавра придется потратить 13000 лет. Тем более, что у нас все еще нет 100% уверенности в ее эффективности, поэтому нет смысла садиться за разработку.
Вот уже несколько десятков лет НАСА исследует ядерные двигатели. В реакторах используют уран или дейтерий, чтобы нагреть жидкий водород, трансформируя его в ионизированный водородный газ (плазма). Затем его отправляют через сопло ракеты для формирования тяги.
Ракетно-ядерная электростанция вмещает тот же исходный реактор, который трансформирует тепло и энергию в электрическую энергию. В обоих случаях ракета рассчитывает на ядерное расщепление или слияние, чтобы генерировать двигательные установки.
Экипажное транспортное средство, функционирующее на ядерном двигателе возле орбиты Марса
Если сравнивать с химическими двигателями, то получаем ряд преимуществ. Начнем с неограниченной плотности энергии. Кроме того, гарантируется более высокая тяга. Это снизило бы уровень потребления топлива, а значит, уменьшило бы массу запуска и стоимость миссий.
Пока не было еще ни одного запущенного ядерно-теплового двигателя. Но существует множество концепций. Они начинаются с традиционных твердых конструкций до основанных на жидком или газовом ядре. Несмотря на все эти преимущества, наиболее сложная концепция достигает максимального удельного импульса в 5000 секунд. Если использовать подобный двигатель для поездки на Марс, когда планета находится в 55000000 км (позиция «противостояния»), то на это уйдет 90 дней.
Но, если мы направим его к Проксима Центавра, то понадобятся столетия для разгона, чтобы перешел на скорость света. После этого ушло бы несколько десятков лет на поездку и еще столетия на замедление. В целом, срок сокращается до тысячи лет. Прекрасно для межпланетных поездок, но все еще не годится для межзвездных.
Наверное, вы уже поняли, что современные технологии довольно медленные для преодоления таких длинных дистанций. Если мы хотим выполнить подобное за одно поколение, то нужно придумать нечто прорывное. И если червоточины все еще пылятся на страничках фантастических книг, то мы располагаем несколькими реальными идеями.
Ядерное импульсное движение
Этой идеей занимался Станислав Улам еще в 1946 году. Проект стартовал в 1958 году и продолжался до 1963 года под названием Орион.
Проект Орион для атомного космического корабля
В Орионе планировали использовать мощь импульсивных ядерных взрывов для создания сильного толчка с высоким удельным импульсом. То есть, мы имеет крупный космический корабль с огромнейшим запасом термоядерных боеголовок. Во время сбрасывания, мы используем детонационную волну на задней площадке («толкатель»). После каждого взрыва подушка толкателя поглощает силу и переводит тягу в импульс.
Естественно, в современном мире метод лишен изящества, но зато гарантирует необходимый импульс. По предварительным оценкам, в таком случае можно достичь 5% от скорости света (5.4 х 10 7 км/ч). Но конструкция страдает от недостатков. Начнем с того, что такой корабль обойдется очень дорого, да и весил бы он 400000-4000000 тонн. Причем ¾ веса представлено ядерными бомбами (каждая из них достигает 1 метрической тонны).
Художественная интерпретация корабля Орион, покидающего Землю
Общая стоимость запуска выросла бы на те времена до 367 миллиардов долларов (на сегодняшние – 2.5 триллионов долларов). Есть также и проблема с создаваемым излучением и ядерными отходами. Полагают, что именно из-за этого проект остановили в 1963 году.
Здесь используют термоядерные реакции, за счет которых создается тяга. Энергия производится, когда гранулы дейтерия/гелия-3 зажигаются в реакционном отсеке через инерционное удержание с использованием электронных лучей. Такой реактор будет детонировать 250 гранул в секунду, создавая высокоэнергетическую плазму.
В такой разработке экономится топливо и создается особый импульс. Достижимая скорость – 10600 км (значительно быстрее стандартных ракет). В последнее время этой технологией интересуется все больше людей.
Концепция корабля Дедал – двухступенчатая ракета, способная достичь 12% скорости света
В 1973-1978 гг. Британское межпланетное общество создало технико-экономическое исследование – проект Дедал. Он основывался на современных знаниях технологии слияния и наличия двухступенчатого беспилотного зонда, который смог бы добраться к звезде Барнарда (5.9 световых лет) за одну жизнь.
Первый этап проработает 2.05 лет и разгонит корабль до 7.1% скорости света. Потом его сбросят и запустится двигатель, увеличив скорость до 12% за 1.8 лет. После этого двигатель второй ступени остановится и судно будет добираться 46 лет.
В целом, к звезде корабль доберется за 50 лет. Если направить его к Проксима Центавра, то время сократится до 36 лет. Но и эта технология столкнулась с препятствиями. Начнем с того, что гелий-3 придется добывать на Луне. А реакция, которая активирует движение космического корабля, требует, чтобы выделяемая энергия превышала энергию, которую используют для запуска. И хотя тестирование прошло хорошо, у нас все еще нет необходимого вида энергии, который смог бы подпитать межзвездный космический корабль.
Корабль Дедал рядом с ракетой Сатурн-V
Ну и не будем забывать о деньгах. Один запуск ракеты весом в 30 мегатонн обходится НАСА в 5 миллиардов долларов. Так вот проект Дедал весил бы 60000 мегатонн. Кроме того, понадобится новый вид термоядерного реактора, которые также не вписывается в бюджет.
Эту идею предложил Роберт Буссард в 1960 году. Можно считать это улучшенной формой ядерного слияния. В нем используют магнитные поля для сжатия водородного топлива до момента активации слияния. Но здесь создается огромная электромагнитная воронка, которая «вырывает» водород из межзвездной среды и сбрасывает в реактор как топливо.
Концепция механизма, работающем на водороде из межзвездной среды
Корабль будет набирать скорость, и заставит сжатое магнитное поле достигнуть процесса термоядерного синтеза. После оно перенаправит энергию в виде выхлопных газов через форсунку двигателя и ускорит движение. Без использования другого топлива можно достичь 4% от скорости света и отправляться в любую точку галактики.
Но у этой схемы огромная куча недостатков. Сразу же возникает проблема сопротивления. Кораблю необходимо увеличивать скорость, чтобы накопить топливо. Но он сталкивается с огромным количеством водорода, поэтому может замедлиться, особенно попав в плотные регионы. К тому же в космосе очень сложно найти дейтерий и тритий. Зато эту концепцию часто используют в фантастике. Наиболее популярный пример – «Звездный Путь».
В целях экономии уже очень давно применяют солнечные паруса для передвижений аппаратов по Солнечной системе. Они легкие и дешевые, к тому же не требуют топлива. Парус использует радиационное давление от звезд.
Аппарат IKAROS с солнечным парусом
Но, чтобы использовать подобную конструкцию для межзвездной поездки, необходимо управлять им сфокусированными энергетическими лучами (лазеры и микроволны). Только так его можно разогнать к отметке близкой к скорости света. Эту концепцию разработал Роберт Форд в 1984 году.
Суть в том, что все преимущества солнечного паруса сохраняются. И хотя лазеру потребуется время на ускорение, но ограничение состоит лишь в скорости света. Исследование 2000-го года показало, что лазерный парус может разгоняться до половины скорости света и тратит на это меньше 10 лет. Если размер паруса будет 320 км, то он доберется до точки назначения за 12 лет. А если увеличить его до 954 км, то за 9 лет.
Но для его производства необходимо использовать передовые композиты, чтобы избежать плавления. Не забывайте, что он должен достигать огромных размеров, поэтому цена будет большой. К тому же придется потратиться на создание мощного лазера, который смог бы обеспечить управление на таких больших скоростях. Лазер потребляет постоянный ток в 17000 теравватт. Чтобы вы понимали, это то количество энергии, которое за один день потребляет вся планета.
Это материал, представленный античастицами, которые достигают той же массы, что и обычные, но обладают противоположным зарядом. Такой механизм будет использовать взаимодействие между материей и антиматерией, чтобы сгенерировать энергию и создать тягу.
Космический корабль с антиматерией для марсианской миссии
В общем, в таком двигателе задействованы частицы водорода и антиводорода. Причем в подобной реакции освобождается столько же энергии, как и в термоядерной бомбе, а также волна субатомных частиц, перемещающихся на 1/3 скорости света.
Плюс этой технологии в том, что большая часть массы преобразуется в энергию, что позволит создать более высокую плотность энергии и удельный импульс. В итоге, мы получим наиболее быстрый и экономичный космический корабль. Если у обычной ракеты уходит тонны химического топлива, то двигатель с антивеществом расходует на те же действия всего несколько миллиграммов. Такая технологии станет прекрасным вариантом для поездки на Марс, но ее нельзя применить к другой звезде, потому что количество топлива растет в геометрической прогрессии (вместе с затратами).
Так будут выглядеть материя и антиматерия в процессе взаимного уничтожения
Для двухступенчатой ракеты с антивеществом потребуется 900000 тонн топлива для 40-летнего полета. Сложность в том, что для добычи 1 грамма антивещества понадобится 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более триллиона долларов. Сейчас мы располагаем лишь 20 нанограммами. Зато такое судно способно разгоняться до половины скорости света и долететь до звезды Проксима Центавра в созвездии Центавра за 8 лет. Но весит оно 400 Мт и тратит 170 тонн антиматерии.
В качестве решения проблемы предложили разработку «Вакуум антиматериальной ракетной межзвездной исследовательской системы». Здесь можно было бы использовать крупные лазеры, создающие частицы антивещества при выстреле в пустом пространстве.
Концепция «Вакуум антиматериальной ракетной межзвездной исследовательской системы»
Идея также основана на использовании топлива из пространства. Но снова возникает момент дороговизны. К тому же, человечество просто не может создать такое количество антиматерии. Есть также риск радиации, ведь аннигиляция вещества-антивещества может создать взрывы высокоэнергетических гамма-лучей. Потребуется не только защитить экипаж специальными экранами, но и оборудовать двигатели. Поэтому средство уступает по практичности.
В 1994 году ее предложил мексиканский физик Мигель Алькубьерре. Он хотел создать средство, которое не нарушало бы специальную теорию относительности. Он предлагает растягивание ткани пространства-времени в волне. Теоретически это приведет к тому, что дистанция впереди объекта сократится, а сзади расширится.
Корабль, попавший внутрь волны, сможет передвигаться за пределами релятивистких скоростей. Сам корабль в «пузыре деформации» двигаться не будет, поэтому правила пространства-времени не применимы.
Теоретический межзвездный корабль
Если говорить о скорости, то это «быстрее света», но в том смысле, что корабль достигнет назначения быстрее, чем луч света, вышедший за пределы пузыря. Расчеты показывают, что он прибудет к месту назначения за 4 года. Если размышлять в теории, то это наиболее быстрый метод.
Но эта схема не учитывает квантовую механику и технически аннулируется Теорией всего. Расчеты количества необходимой энергии также показывали, что потребуется чрезвычайно огромная мощность. И это мы еще не коснулись тем безопасности.
Однако, в 2012 году были разговоры о том, что этот метод тестируется. Ученые утверждали, что построили интерферометр, который сможет найти искажения в пространстве. В 2013 году в Лаборатории реактивного движения проводили эксперимент в условиях вакуума. В выводе результаты показались неубедительными. Если углубиться, то можно понять, что эта схема нарушает один или несколько фундаментальных законов природы.
Что же из этого следует? Если вы надеялись совершить вояж на звезду туда и обратно, то шансы невероятно низкие. Но, если бы человечество решилось построить космический ковчег и отправить людей в вековое путешествие, то все возможно. Конечно, пока это лишь разговоры. Но ученые занимались бы подобными технологиями активнее, если бы нашей планете или системе угрожала реальная опасность. Тогда поездка на другую звезду была бы вопросом выживания.
Пока мы можем лишь бороздить и осваивать просторы родной системы, надеясь, что в будущем появится новый способ, позволивший реализовать межзвездные транзиты.
Источник