Окно во Вселенную

Выпуск N 4a

Сегодня в выпуске:

1. Вступительное слово автора рассылки.

2. Послание к теперь уже не юным астрономам.

3. Верстовые столбы Вселенной.

1. Вступительное слово автора рассылки.

Мдааа, свободного времени все меньше и меньше... Где-то в глубине души жалею, что не живем мы на Венере, где сутки в 243 раза длиннее или хотя бы на Меркурии - в 58 раз длинее - тогда бы на рассылку времени было больше:(
Сейчас я заканчиваю выпуск о звездных величинах, но решил все-таки перевыпустить предыдущий, т.к. нетшкафы упорно не хотят представлят его в желаемом виде, "в чем нет, конечно, их вины" (Р. Бернс)
Я не могу научить нетшкаф греческим буквам, IE же и первый вариант нормально отображал. Просьба, если кто знает как с этим бороться напишите мне. Я переделал формулы в табличный вид и немного добавил нового текста, но, полагаю, идея СУПЕРПАРАЛЛАКСа Вам понравится:) Кроме того, исправлена опечатка в описании вычисления расстояния до галактик по красному смещению.
Я получил письмо с просьбой рассказать о более интерсных вещах - внеземных цивилизациях, например. Отвечаю всем - чтобы понять, как эти цивилизации зародились, какова вероятность этого зарождения, а также где их искать, необходимо знать кучу теоретической информации, например, о распределении вращательного момента в звездно-планетной системе.
Но, чтобы как-то разбавить возможную сухость повествования, в следующий выпуск будет включен подвыпуск "Киноглюков" с описанием ляпов фильма "Армагеддон".

2. Послание к теперь уже не юным астрономам.

Прошу откликнуться кружковцев клуба им. Максутова Новосибирского Дворца пионеров (197х-1990гг) и участников слета юных астрономов в «Орленке» в конце 1985 года, слетевшихся туда для наблюдения кометы Галлея. Пишите мне на astro@sang-bsk.nsk.su

3. Верстовые столбы Вселенной.

Измеряются удавы - пятью-пять - любого роста!
Из ностальгического мультика.

В предыдущем (тестовый я не считаю полноценным) выпуске я познакомил Вас с громадными расстояниями, разделяющими звезды и галактики. Хочется добавить несколько строк, пришедших мне в голову за эти две недели. Забавной мне показалась идея, что световой год не очень подходит для измерения расстояний до очень удаленных объектов, из-за того, что его название (в отличие от парсека) плохо поддается умножению на 10³- получается как-то ненаучно. Как Вам названия "Cветовой килогод" - "Световое тысячелетие" - "Cветовой миллениум "?:))

Теперь о серьезном. Если Вы читали описание моей рассылки, то помните, что я обещал в ней делать упор на проблему внеземной жизни и связи с внеземными цивилизациями. Поэтому хочу обратить внимание вот на какой факт. Вспомните модель Солнечной системы, где Солнце имеет диаметр в 10 см. А теперь попробуем её применить к межзвездным перелетам. Я не буду сейчас приводить и обсуждать список технических трудностей путешествий к звездам - этому будут посвящены несколько отдельных выпусков. Просто хочу показать, насколько мы к ним подготовлены (вернее не подготовлены). Напомню, что в масштабах этой модели Землю и Луну разделяет 2см, Землю и Солнце - 11 м, Солнце и Марс - около 15,5 м, Юпитер - 57м, а Плутон - 430м. Что мы имеем на сегодняшний день в области межпланетных кораблей? А имеем мы велосипеды, которые выходят из под контроля проехав 5 метров от старта - вспомним наши "Фобосы" или насовский "Mars Polar Lander". Разумеется, есть и удачные веломодели, которые преодолеют поездку на 57 метров до Юпитера ("Галилей"), а один уже стартовал аж на 105 м ("Кассини") и даже намерен выбросить на финише утреннюю почту (зонд "Гюйгенс"). У самих велосипедистов хватило смелости (читай "денег") только на двухсантиметровое путешествие. Предлагаю Вам самим задуматься об их пригодности к поездке на 3 тыс. км (к ближайшей звезде). Разумеется, эти метражи не отражают истинную длину пути наших велосипедов, а только дистанцию между стартом и финишем (расстоянием между орбитами, т.е. расстоянием между планетами в момент противостояния). На самом деле их траектории весьма замысловаты, например у нашей "Веги" и у насовского "Магеллана", но о причинах замысловатости этих траекториях тоже в других выпусках.

Теперь поговорим, о том, как астрономы смогли определить расстояния до звезд и галактик. В прошлом выпуске я рассказал, что до ближайших звезд расстояние было измерено методом годичного параллакса. Также я привел формулу, связывающую расстояние и величину параллакса:

r=1/π,

(4.1)

где r-расстояние в парсеках,blablablablablablablabla
π-годичный параллакс объекта в угловых секундах.blablablablablablablabla

Современные инструменты позволяют разделить (т.е. видеть по отдельности) два объекта, если расстояние между ними больше 0,01"-0,02". (На самом деле, эти данные уже устарели. Такая разрешающая способность была максимальной, когда рекордсменами были БТА (с 6-ти метровым зеркалом) и 200-дюймовый Маунт-Паломарский телескоп. С тех пор появились и Хаббл, которому не мешает дрожание атмосферы, и 10-ти метровый Very Large Telescope, и более совершенные компьютерные методы обработки изображений. Разумеется, порог в 0.01" преодолен, но у меня нет данных о характеристиках этих приборов. Если у Вас такие данные есть, то буду очень признателен, если Вы пришлете их мне astro@sang-bsk.nsk.su вместе со ссылкой на источник. Следовательно, максимально удаленный объект, у которого можно измерить параллакс, находится на расстоянии 100-200 пк (не забывайте, что годичный параллакс - это ПОЛУОСЬ эллипса, описываемого удаленным объектом вследствие обращения Земли вокруг Солнца, а мы измеряем ВСЮ ОСЬ, значит предельное измеряемое таким образом расстояние надо умножить на два). Измерить большие расстояние мы не сможем. Очень соблазнительна идея создать спецобсерваторию на Марсе или спутниках внешних планет, но, полагаю, NASA на это никогда не пойдет - расходы колоссальные, а результат слишком однобокий. А ведь как заманчиво: базис для станции в системе Сатурна будет в10 раз больше, значит и расстояние, доступное прямому измерению, отодвинется до 2-3 килопарсек, а это уже не шутка. По последним данным, с помощью спутника HIPPARCOS (см. ниже), были измерены параллактические смещения в 0,001". Кстати, в 1997 году, когда был осуществлен космический проект HIPPARCOS, расстояние, определяемое параллаксом увеличилось до 1000 св. лет. – с помощью этого спутника было определено расстояние до более чем 100 тыс. звезд.

Приходит на ум ещё более масштабная идея использовать в качестве базиса диаметр орбиты, по которой Солнце, вместе с Землей вращается вокруг центра Галактики. Масштабная она не только в смысле пространственных размеров – диаметр 50-60 тыс.световых лет, но и в смысле временных – на пол-оборота вокруг центра Галактики Солнцу требуется около 125 млн. лет. Даже, если за эти 125 млн. лет телескопы не усовершенствуют:))), то можно будет точно определить расстояние до галактик в пределах более чем 300 млн. св. лет. Как я уже писал, галактики расположены значительно кучнее звезд – расстояния между ними сравнимы с их диаметрами, т.ч. прямым измерениям расстояния будет подлежать огромное их количество. С помощью такого СУПЕРПАРАЛЛАКСА можно будет проверить точность описанных ниже методов определения этих расстояний.

Как же определили расстояния до более удаленных звезд, например в 850 св. лет до Ригеля (бета Ориона - яркая голубая звезда в правой ноге Ориона) или в 3230 св. лет до Денеба (альфа Лебедя - гигантской голубой звезды в хвосте Лебедя)? Только косвенными и, как следствие, не очень точными методами. Природа дала нам ключ от многих тайн Вселенной, позволив изучать звездные спектры. Этому будет посвящен отдельный разговор, пока же Вам нужно знать, что звезды, имеющие практически идентичные спектры, с высокой вероятностью имеют одинаковые светимости. Что нам остается? Найти для отдаленной звезды близняшку из тех, до которых определили расстояние напрямую, т.е. параллаксом. Проблема в том, что таковой может не найтись, - например, если бы в 100 парсеках от нас находилась бы копия Денеба, то светила бы она в 8 раз ярче Сириуса - самой яркой звезды нашего неба. (А если бы его копией была Альфа Центавра, то она имела бы блеск как Луна в полнолуние, но диск её можно было бы увидеть лишь в телескопы - около 0,2" - жуткая звезда). Эта проблема в большинстве случаев была решена, т.к. была разработана теория эволюции звезд, с помощью которой можно определить светимость звезды, просто анализируя её спектр - без звезды сравнения, но такой метод ещё менее точен, чем предыдущий. Интересно отметить, как развитие звездной эволюционной теории сказывалось на данных в астрономической литературе. Тот же Денеб "удалялся" от нас с жуткой скоростью - в 1962 г. до него было около 500 св. лет, в конце 80-х - уже 1500 св. лет, а на сегодняшний момент ребята из НАСА отодвинули его аж на 3227.72 св. лет - почти килопарсек! (принимая во внимание неизменность его видимого блеска, он "разгорелся" в 40 раз).

Но природа, как это часто бывает, приготовила нам сюрприз. Во Вселенной нашлись звезды (и довольно яркие), светимость которых можно определить очень точно. Назвали их Цефеиды, по самому известному их представителю - Дельты Цефея. Они являются переменными, с характерной только им кривой изменения блеска. Им я также выделю целый выпуск. Самым удивительным и ценным оказалось, что существует прямая связь между светимостью цефеиды и периодом изменения её блеска, измерить который может любой школьник. Цефеиды, собственно, и являются верстовыми столбами Вселенной. Именно благодаря им Хаббл сделал величайшее во всей астрофизике открытие, речь о котором пойдет чуть ниже. Наблюдая удаленные галактики, долгое время невозможно было получить спектры содержащихся в них звезд, т.к. они были слишком слабы. Но яркость этих звезд возможно было измерить уже в начале двадцатого века. С помощью довольно простого прибора - компоратора - очень легко обнаружить звезды, меняющие свой блеск. Берутся две фотографии-негатива участка неба, сделанные в разное время, и попеременно проецируются на экран. Переменные звезды будут мигать (а движущиеся объекты - прыгать, так обнаруживаются астероиды и кометы). Далее, детально изучая кривую блеска обнаруженных таким образом переменных, обнаруживаются цефеиды. Зная период, получаем их светимость, а зная видимую яркость - расстояние до них и, как следствие, до самой галактики. Все просто. Так были определены расстояния до шаровых звездных скоплений и огромного числа галактик.

Чтобы перейди к дальнейшему повествованию, необходимо пояснить об одном простом явлении, которое часто используется астрофизиками. Представим резиновую лодку, плывущую по озеру в ветреный день. С подветренной стороны постоянно слышится хлюпанье волн о борт, где-то в вышине поют птички, поплавок слегка подпрыгивает на волнах, заставляя немного нервничать, приятно обдувает теплый ветерок... Извините, увлекся - в отпуск пора:) Если поплыть против ветра, то частота хлюпаний увеличится, т.к. скорость лодки сложится со скоростью волн, а расстояние между гребнями волн не изменится. Обратная картина наблюдается, если плыть по ветру - мы будем как бы убегать от волн, и хлюпанье станет реже.
Частоты связаны простым соотношением:

"частота_с_лодкой"=частота_волны*(1+скорость_лодки/скорость_волны)

(4.2)

Это явление называется эффектом Доплера. И наблюдается оно не только на озере - эффект распространяется и на продольные звуковые волны - (Вы наверняка замечали изменение высоты звука от проходящего мимо локомотива или автомобиля), а также и для поперечных электромагнитных волн - светового излучения - если излучающий объект приближается, то выглядит "более фиолетовым", если удаляется - красным. Этот эффект будет часто встречаться в моей рассылке. Вернемся к цефеидам и галактикам. В начале двадцатого века американец Хаббл, изучая спектры галактик, обнаружил, что все галактики, исключая буквально единицы, имеют красное спектральное смещение, т.е., согласно эффекту Доплера, удаляются от нас. С помощью цефеид были определены расстояния до них. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что скорость удаления галактик прямо пропорционально расстоянию до них, т.е. чем дальше галактика, тем быстрее она от нас движется. Хаббл сделал сенсационный вывод - ВСЕЛЕННАЯ РАСШИРЯЕТСЯ!.

Может показаться, что мы находимся в центре этого расширения, т.к. галактики удаляются от нас во все стороны. Но это не так. Представим, что из гаража выехали автомобили, скажем в количестве тысячи штук. Все они едут с разными, но постоянными скоростями. Через некоторое время они выстроятся в линию согласно своей скорости - более быстрые уедут вперед, а медленные - отстанут. Мы едем где-то посередине (но это не обязательно). При этом как раз и обнаружим, что чем дальше от нас другая машина, тем быстрее она отстает или опережает, но в любом случае от нас она удаляется, причем скорость удаления линейно зависит от расстояния до неё. Осталось только переложить разбегание машин с одномерной дороги на двух- и трехмерную (и, чем черт не шутит, на четырех- и более-мерую). Вот так Вселенная и расширяется.

Полагаю, Вы уже догадались, как определить расстояния до ОЧЕНЬ далеких галактик, которые наши телескопы не могут разделить на отдельные звезды. Правильно, надо изучить её спектр и посмотреть, насколько спектральные линии (о них тоже в ближайших выпусках) сместились к красному концу. Перепишем (4.2) в более серьезный вид для длины волны светового излучения движущихся галактик:

λ-λ0/λ0=U/с=z,

(4.3)

где λ-принимаемая длина волны, λ₀ - излучаемая длина волны, U- скорость галактики, с- скорость света.
Величина z называется Красным смещением. Из (4.3) узнаем скорость галактики, а потом делим её на коэффициент пропорциональности, который называется ПОСТОЯННАЯ ХАББЛА (H). Это такая же фундаментальная величина, как, например, постоянная Планка h, гравитационная постоянная G или скорость света с. Её значение долго не могли определить из-за неточностей при определении расстояния до галактик. На данный момент считается, что оно равно 73,3км/с/Мпк, т.е. скорость удаления галактик увеличивается на 73,3 км/с через каждый миллион парсек. Имеем:

r=U/H.

(4.4)

Но не всё так просто. Имеются галактики, у которых величина z>1, что вроде бы невозможно из-за того, что скорости света не может достичь ни одно материальное тело. Дело в том, что формула (4.3) справедлива для скоростей, намного меньших скорости света. Для релятивистских скоростей она выглядит следующим образом:

z=[(1+U/c)/(1-U/c)]1/2,

(4.5)

откуда

U/c=[(1+z)2-1]/ [(1+z)2+1].

(4.6)

Так, для самой удаленной из галактик на 1994 год - согласно Книге Рекордов Гиннеса - Радиогалактики 8С 1435+635 красное смещение равно 4,25. Это означает, что её скорость относительно нас составляет 93% от скорости света или 278993,4 км/с. Когда я был совсем мальчишкой и понятия не имел, что такое Лаборатория Реактивного Движения, меня постоянно грызла мысль, что эти галактики слишком быстро от нас удаляются и, чтобы их изучить, надо бы поскорее стартовать, а то придется долго их догонять - тогда я считал, что "Туманность Андромеды" написана чуть ли не по реальным событиям. Как же далека от нас 8С 1435+635? Из (4.4) получим 12,4 миллиарда световых лет или 3806,2 Мпк, т.е. наблюдая её, мы видим нашу Вселенную совсем юной.

В заключение скажу, что есть ещё несколько способов определения межзвездных и межгалактических расстояний – по пульсирующим звездам типа RR Лиры, уникальным своей одинаковой светимостью; по групповому параллаксу звездных скоплений, разлетающихся из места своего образования и т.д..
Отмечу один несколько экзотический. Забегая вперед скажу, что некоторые звезды заканчивают свой жизненный путь взрывом чудовищной силы. Астрономы называют это явление Сверхновой. В момент взрыва звезда увеличивает свою яркость в миллиарды раз, порой сравниваясь в блеске с целой галактикой. Сверхновые вспыхивают в галактике размером с нашу примерно раз в 100-200 лет. Оказывается, что в момент взрыва часть Сверхновых (об этой части в другой раз) имеют примерно одинаковую светимость, следовательно, зная её видимый блеск, определить расстояние очень просто (об этом подробнее в следующем выпуске). Этот способ удобен тем, что светимость Сверхновой во много миллионов раз больше, чем у цефеид, а значит можно определить значительно большие расстояния.

Теперь, наконец, вы имеете законченное представление о размерах наблюдаемой Вселенной и методах их определения…

В следующем выпуске я расскажу Вам о звездных величинах и светимостях звезд.

---

Всегда Ваш, Leonid.

---

http://subscribe.ru/ E-mail: ask@subscribe.ru

Отписаться

Рейтингуется SpyLog

---

В избранное