Спутники и спутниковые карты

Спутник

До октября 1957 года термин "спутник" означал  небольшое тело, которое вращалось вокруг более крупного астрономического объекта. Таким образом, все объекты, вращающиеся вокруг планет Солнечной системы, являются их спутниками. Сегодня эти тела специально называют естественными спутниками.

Космическая эра родилась 4 октября 1957 года, когда Советский Союз вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли - Спутник-1. Теперь любой искусственный объект, который вращается вокруг более крупного астрономического объекта, называется искусственным спутником.

Сегодня вокруг Земли вращаются сотни искусственных спутников. Они используются для связи, изучения погоды, навигации, военных наблюдений и других целей. С помощью искусственных спутников Земли сегодня создаются спутниковые карты. Различные научно-исследовательские спутники были запущены на орбиту вокруг Луны, Солнца, нескольких планет и других астрономических тел.

Спутники на орбите

Большинство спутников выводятся на орбиту многоступенчатыми ракетами. В прошлом Соединенные Штаты выводили спутники на орбиту с помощью космического челнока. Спутник, который должен вращаться вокруг Земли, расположен по крайней мере в 160 километрах над поверхностью Земли, так чтобы атмосферное сопротивление не замедляло движение спутника.

Время, необходимое спутнику для завершения одного оборота вокруг Земли, зависит от его высоты. Например, спутнику, расположенному на высоте 35 900 километров над поверхностью Земли, требуется 24 часа — или один земной день для того чтобы обогнуть планету. Такая орбита называется синхронной, потому что она синхронизирована с вращением Земли. Если спутник движется в том же направлении, что и вращение Земли, и его орбита лежит над экватором, то с Земли он будет казаться расположенным в фиксированной точке неба. Говорят, что спутник находится на геостационарной орбите. Геостационарные орбиты часто используются для спутников связи.

Геостационарная орбита относится к семейству геосинхронных орбит. Спутники на геосинхронных орбитах описывают одиночную или двойную петлю вокруг точки на экваторе один раз в 24 часа. Полярные орбиты следуют по траектории, перпендикулярной экватору Земли, в плоскости, проходящей как через Северный, так и через Южный полюса.

В течение всего срока службы спутника необходимо корректировать его орбиту и ориентацию. Как правило, спутники имеют для этой цели бортовые ракеты. Ракеты могут быть запущены, чтобы ускорить спутник и переместить его на более высокую орбиту или замедлить его и переместить его ниже. Запуск ракет в сторону изменяет направление, в котором указывает спутник.

Энергия для запуска спутников обычно поступает от солнечных батарей. Когда спутник находится в тени Земли, питание обеспечивают вспомогательные батареи. Спутники дальнего космоса, вращающиеся вокруг других планет, обычно питаются термоэлектрическими генераторами, которые преобразуют тепло из радиоактивного материала в электричество.

Информация, собранная спутником, часто хранится в виде электронных сигналов, которые передаются по радио наземным станциям. Многие спутники имеют бортовые компьютеры, которые не только принимают, хранят и передают информацию, но и управляют работой спутника и его орбитой.

Применение искусственных спутников

Основное применение искусственных спутников заключается в обеспечении связи на большие расстояния. Телефонные компании, кабельные телевизионные станции, газеты и журналы используют спутники связи для передачи данных в различные части земного шара.

Группа спутников, используемых для связи между земными станциями, образует систему спутниковой связи. Такие системы могут обеспечивать международную связь, как это делает Intelsat, который включает в себя около 400 наземных станций, расположенных в 150 странах, или они обеспечивают только внутреннюю связь, как это делает канадская система Telesat.

К концу 20-го века способность спутников обрабатывать телекоммуникационные сигналы значительно возросла, и цифровые сети интегрированных служб разрабатывались для создания глобальной голосовой, информационной, текстовой и видеосистемы.

Метеорологические спутники используют высокочувствительные приборы для получения данных для использования в компьютерных моделях атмосферы, которые являются основой современного прогнозирования погоды. Всемирная метеорологическая организация использует спутники, эксплуатируемые на международном уровне.

Навигационные спутники

Можно определить точное местоположение корабля на Земле, используя сигналы нескольких спутников для вычисления относительного положения корабля и спутников. Система, использующая сигналы лазерного луча, может определять положение с точностью менее 2,5 сантиметра. Ручной приемник глобальной системы позиционирования, который может быть использован на корабле, самолете или земле, принимает сигналы по крайней мере от трех из 24 спутников, вращающихся вокруг Земли, и коррелирует их данные для определения местоположения приемника.

Методы, используемые навигационными спутниками, также используются для составления точных карт удаленных районов Земли. Американская система Landsat предоставляет данные наземным станциям по всему миру. Геологи и другие специалисты используют эти данные для разведки полезных ископаемых, прогнозирования урожая, борьбы с наводнениями, сохранения почв, лесовосстановления и управления земельными ресурсами.

Пилотируемые Спутники

Пилотируемые спутники стартовали с советского корабля "Восток-1", который был запущен в 1961 году с одним пассажиром. Позднее как Соединенные Штаты, так и Советский Союз разработали пилотируемые космические станции, включая американскую станцию "Скайлэб", советские станции "Салют" и "Мир", а также Международную космическую станцию.

Естественные Спутники Земли

Известно, что у шести планет — Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна—есть спутники. Карликовые планеты и астероиды также могут иметь спутники. Поскольку Луна велика по сравнению с Землей, систему Земля-Луна иногда называют двойной планетой. Большой спутник Плутона - Харон, имеет чуть более половины диаметра Плутона, и они часто считаются системой двух тел. Хотя некоторые другие спутники намного больше, чем земная Луна или Харон, эти другие спутники намного меньше, по сравнению с телами, которые они окружают.

Многие из естественных спутников сами по себе представляют собой удивительные миры. Спутник Юпитера - Ио имеет множество действующих вулканов, извергающих сернистые соединения на свою поверхность. Тритон Нептуна имеет таинственные гейзеры, извергающиеся, несмотря на холодную температуру поверхности около -240 °C.

Также большой интерес представляют спутники Сатурна, особенно Титан и Энцелад. Титан имеет густую, холодную, туманную атмосферу азота и метана. На его поверхности водные каналы - очевидно, прорезанные ливнями метановых дождей. Они прорезают кору водяного льда и опустошаются в плоские области, которые могут быть дюнами, метановыми грязями или, возможно, даже жидкими метановыми озерами.

Хотя Энцелад небольшой и очень холодный, он геологически активен, с гейзерами вблизи южного полюса, которые извергают водяной пар и водяной лед. Измерения вращения Энцелада показывают, что под поверхностью Земли, вероятно, находится океан, покрывающий весь земной шар.

Астероиды

1 января 1801 года итальянский астроном Джузеппе Пьяцци обнаружил небольшой планетоподобный объект в большом промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Этот скалистый объект, позднее названный Церерой, был первым и самым крупным из тысяч астероидов, или малых планет, которые были открыты. (Церера теперь тоже считается карликовой планетой.) В то время как большинство астероидов находятся в поясе между Марсом и Юпитером, есть несколько других. Некоторые из них пересекают орбиту Земли и могут представлять угрозу редкого столкновения с Землей в будущем.

Кометы

Кометы - одни из самых необычных и непредсказуемых объектов в Солнечной системе. Это небольшие тела, состоящие в основном из замерзшей воды и газов, с некоторым содержанием силикатного песка. Этот состав и характер их орбит позволяют предположить, что кометы образовались раньше или примерно в то же время, что и остальная Солнечная система.

Кометы, по-видимому, происходят за орбитой Нептуна. На таких расстояниях от солнца они поддерживают очень низкие температуры, сохраняя свое замороженное состояние. Они становятся легко видимыми с Земли, только если проходят близко к Солнцу. Когда комета приближается к Солнцу, часть ее льда испаряется. Солнечный ветер отталкивает эти испаренные газы от головы кометы и от Солнца. Это временно дает комете один или несколько длинных, светящихся хвостов, которые направлены в сторону от Солнца.

Определение источника комет было загадкой для астрономов. Некоторые кометы периодически возвращаются во внутреннюю часть Солнечной системы, двигаясь по длинным эллиптическим орбитам, которые могут достигать орбиты Земли и выходить за пределы Нептуна.

Комета Галлея, например, появляется примерно каждые 76 лет. Однако кометы теряют материал с каждым проходом вблизи Солнца и, вероятно, могут пережить только несколько сотен таких посещений, прежде чем их летучие материалы будут исчерпаны. Это означает, что они могли путешествовать по таким орбитам только в течение небольшой части общепринятой 4,6-миллиардной истории Солнечной системы.

Орбиты других комет были прослежены до десятков тысяч астрономических единиц и имеют периоды в миллионы лет. Некоторые из этих комет действительно могут совершать свои первые визиты во внутреннюю часть Солнечной системы. Такие соображения привели Яна Оорта в 1950 году к предположению о существовании огромного сферического облака, содержащего, возможно, миллиарды комет. Такие возмущения, как гравитационное воздействие пролетающих звезд, могут отклонить эти кометы к Солнцу.

Койпер предположил в 1951 году, что другая группа ледяных тел, включая спящие кометы, может существовать в поясе сразу за орбитой Нептуна. Открытия, начавшиеся в 1990-х годах, подтвердили гипотезу Койпера, поскольку сотни объектов были найдены примерно на том расстоянии, которое он предсказал. Считается, что пояс содержит много миллионов ледяных объектов, большинство из которых небольшие. Однако самые крупные объекты пояса Койпера, включая Плутон и Эриду,  достаточно массивны, чтобы также считаться карликовыми планетами.

Происхождение и будущее Солнечной системы

Наиболее широко признанная модель происхождения Солнечной системы объединяет теории, разработанные Койпером и Томасом Краудером Чемберлином. Астрономы считают, что около 4,6 миллиарда лет назад одна из многочисленных плотных шаровых газовых и пылевых облаков, которые существуют в галактике, сжалась в медленно вращающийся диск, называемый солнечной туманностью. Горячим, плотным центром диска стало Солнце. Оставшийся внешний материал охлаждался, превращаясь в мелкие частицы камня и металла, которые сталкивались и слипались, постепенно превращаясь в более крупные тела, чтобы стать планетами и их спутниками.

В холодных внешних частях Новой Солнечной системы некоторые из этих тел собрали большое количество водорода и гелия из солнечной туманности, таким образом став “газовыми гигантами” — Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном. Ближе к Солнцу эти легкие элементы были в основном вытеснены более высокими температурами и частицами, стекающими с Солнца. Там появились более мелкие каменистые планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Не собранный мусор превратился в астероиды и кометы.

Солнце медленно становится ярче, поскольку оно потребляет свой резервуар водорода и превращает его в гелий. Если современные расчеты звездной эволюции верны, Солнце станет намного ярче и больше примерно через 5 миллиардов лет, что сделает Землю слишком горячей для жизни. Позже Солнце исчерпает свой ядерный источник энергии и начнет остывать. В конце концов оно превратится в белый карлик, вся материя которого будет плотно упакована в пространстве, не намного большем, чем Земля. Вокруг него будут вращаться замерзшие пустоши и планеты, пережившие солнечные потрясения.

Есть ли Жизнь в других местах?

Жизнь может существовать только при определенных химических и физических условиях. Требования к жизни полностью неизвестны, но они почти наверняка включают разумный температурный диапазон для химической реакции, и источник энергии, такой как солнечный свет или тепло, поступающее из недр планеты. Также было принято считать, что необходим растворитель, такой как вода, и некоторая защита от ультрафиолетового излучения.

Ряд сред в пределах Солнечной системы может соответствовать этим критериям. Например, организмы могут существовать в подземной вечной мерзлоте Марса или в океане под ледяной корой спутника Юпитера. Некоторые кометы и астероиды содержат органическое вещество (имеется в виду молекулы на основе углерода, не обязательно являющиеся результатом жизни). Это говорит о том, что основные ингредиенты для жизни распространены в Солнечной системе.

Есть ли жизнь на Марсе?

Марс - интригующее место для поиска жизни. Космические аппараты сфотографировали крупные объекты, которые выглядят как сухие русла рек. Данные, полученные НАСА от марсоходов Spirit и Opportunity в начале 2000-х годов, убедительно свидетельствуют о том, что когда-то на поверхности планеты существовала жидкая вода. Кроме того, данные европейского орбитального аппарата "Марс Экспресс" и наземных телескопов свидетельствуют о том, что метан выделяется из-под поверхности земли, и возможным источником этого могут быть подповерхностные колонии бактерий.

В 1976 году высадившиеся на Марс викинги искали признаки жизни в марсианской почве. Они не обнаружили никаких органических молекул. Тем не менее, несколько экспериментов викингов, которые искали признаки метаболических процессов, таких как эксперимент с Меченым высвобождением, дали, казалось бы, положительные результаты. Эти открытия были широко интерпретированы как результат странных химических реакций, а не жизни. Хотя жизнь на Марсе не была обнаружена, многие ученые считают, что она могла существовать в более раннем прошлом, а некоторые полагают, что она могла сохраниться и в настоящее время.

Открытия жизни, существующей в экстремальных или необычных условиях на Земле — например, в горячих скальных породах на глубине нескольких миль под поверхностью и в колониях вблизи вулканических жерл на глубоководном морском дне - расширили перспективы поиска жизни в других местах.

Однако ни одно место в Солнечной системе, кроме Земли, не является легко пригодным для колонизации человеком или для крупных наземных растений или животных. Вполне возможно, что другие звезды могут вращаться вокруг более похожих на Землю планет. На самом деле, число таких миров во Вселенной может быть поистине огромным. Однако единственное место, где до сих пор была обнаружена жизнь, - это Земля.

Звёзды

Созвездия - это группы звезд, которые, по-видимому, образуют формы людей, животных или предметов. Первый шаг в поиске своего пути среди звезд обычно состоит в том, чтобы научиться распознавать несколько основных созвездий, таких как Большая Медведица и Орион.

Звезды в созвездиях не обязательно находятся близко друг к другу в пространстве. Например, хотя средние пять звезд Большой Медведицы находятся относительно близко друг к другу, первая и последняя звезды только кажутся находящимися в одной группе. На самом деле они находятся гораздо дальше от Земли, чем остальные пять, и даже медленно движутся в разных направлениях. Некоторые части Ориона расположены относительно близко друг к другу, но Бетельгейзе, яркая красная звезда на вершине, гораздо ближе к Земле.

Системы Координат

Числовые системы координат используются для более точного определения местоположения небесных объектов. Эти системы подобны системе координат широты и долготы, используемой для Земли.

Были разработаны различные небесные системы координат. Они должны учитывать, что Земля имеет два регулярных движения по отношению к звездам. Её вращение приводит к тому, что сфера звезд, по-видимому, делает полный круг вокруг планеты один раз в сутки. А вращение Земли вокруг Солнца заставляет видимые положения звезд в определенный час смещаться изо дня в день, так что они возвращаются в свое “первоначальное” положение через год.

Система горизонта, или Азимута, основана на линии север-юг земли и горизонте наблюдателя. Он использует два угла, называемых азимутом и высотой. Азимут определяет положение звезды относительно линии Север-Юг, а высота - относительно плоскости горизонта. Для того чтобы эта система была полезной, необходимо точно знать время наблюдения и место, из которого оно производилось.

Система экватора основана на концепции небесной сферы. Все звезды и другие небесные тела можно представить себе расположенными на огромной сфере, которая окружает Землю. Сфера имеет несколько воображаемых линий и точек. Одной из таких линий является небесный экватор, который является проекцией экватора Земли на небесную сферу.

Другая - линия эклиптики, которая представляет собой видимый годовой путь Солнца вдоль этой сферы. Небесный экватор и эклиптика пересекаются в двух точках, называемых весенним равноденствием и осенним равноденствием. (Когда Солнце находится в любой точке, день и ночь на Земле одинаково длинны.) Северный и Южный небесные полюса являются продолжениями Северного и Южного полюсов Земли вдоль оси вращения Земли.

В системе экватора положение звезды задается координатами, называемыми склонением и прямым восхождением. Склонение определяет местонахождение звезды по ее угловому расстоянию к северу или югу от небесного экватора. Прямое восхождение определяет местонахождение звезды по ее угловому расстоянию к востоку или западу от точки весеннего равноденствия. Поскольку эта система привязана к небесной сфере, все точки На Земле (кроме полюсов) постоянно меняют свое положение в системе координат.

Определение расстояния до звезд

Фиксация звезд на воображаемой сфере полезна для поиска их с Земли, но она не раскрывает их действительного местоположения. Одним из способов измерения расстояний ближайших звезд от Земли является метод параллакса.

Для параллаксных измерений звезд ученые используют годовое движение Земли вокруг Солнца. Из-за этого движения Наблюдатели на Земле видят звезды с разных позиций в разное время года. В любое время года Земля находится на расстоянии 300 миллионов километров по другую сторону Солнца от того места, где она была шесть месяцев назад.

Две фотографии близкой звезды, сделанные через большой телескоп с интервалом в шесть месяцев, покажут, что звезда, по-видимому, смещается на фоне более далеких звезд. Если это смещение достаточно велико, чтобы его можно было измерить, астрономы могут вычислить расстояние до звезды.

Более четырех столетий назад феномен параллакса использовался для противодействия Николаю Копернику предполагавшему, что Земля движется вокруг Солнца. Ученые того времени указывали, что если это так, то звезды должны показывать ежегодное изменение направления из-за параллакса. Но, используя имеющиеся в их распоряжении инструменты, они не смогли измерить никакого параллакса, поэтому они пришли к выводу, что Коперник был неправ. Астрономы теперь знают, что все звезды находятся на таких огромных расстояниях от Земли, что их параллаксные углы чрезвычайно трудно измерить. Даже современные приборы не могут измерить параллакс большинства звезд.

Астрономы измеряют параллаксы звезд в секундах дуги. Это крошечная единица измерения. Например, одна копейка должна находиться на расстоянии  километров, прежде чем она покажется такой - же маленькой, как одна секунда дуги. Но ни одна звезда, кроме Солнца, не находится достаточно близко, чтобы иметь такой большой параллакс. Альфа Центавра, входящая в группу из трех ближайших к Солнцу звезд, имеет параллакс около трех четвертей секунды дуги.

Астрономы разработали единицу измерения расстояния, называемую парсеком - расстояние, на котором угол, противоположный основанию треугольника, измеряет одну секунду дуги, когда основание треугольника является радиусом орбиты Земли вокруг Солнца. Один парсек равен 30,9 триллиона километров. Альфа Центавра находится примерно в 1,3 парсеке от нас.

Две другие единицы измерения, используемые для записи больших астрономических расстояний - это световой год и астрономическая единица. Световой год - это расстояние, которое свет проходит в вакууме за один год. Свет, движущийся в вакууме, движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду — таким образом, один световой год равен примерно 9,46 триллиона километров.

Проксима Центавра, входящая в систему Альфа Центавра, является самой близкой к Земле звездой (за исключением Солнца), но находится примерно в 4,2 световых годах от нее. Это означает, что для того, чтобы свет от этой звезды достиг Земли, требуется более четырех лет. Астрономическая единица (АС) - это среднее расстояние от Земли до Солнца (около 150 миллионов километров).

Поскольку параллакс дает расстояния только до относительно близких звезд, другие методы должны использоваться для более удаленных. Одним из таких методов является статистический параллакс, при котором анализируются видимые движения по небу групп звезд для определения их вероятного расстояния. Другой метод включает наблюдение определенных звезд, которые регулярно изменяются по яркости.

И размер, и температура звезды определяют, сколько энергии излучения она испускает каждую секунду: это фактическая яркость, или светимость, звезды. В астрономии светимость определяется как количество света, испускаемого объектом в единицу времени. Светимость обычно выражается в терминах солнечной яркости. Одна солнечная светимость равна светимости Солнца. Самые яркие звезды излучают несколько миллионов солнечных светимостей.

Светимость - это абсолютная мера силы излучения. То есть его величина не зависит от того, насколько объект удален от наблюдателя. Однако чем ближе звезда к Земле, тем больше энергии ее излучения достигнет Земли и тем ярче она будет выглядеть.

Астрономы обычно выражают яркость звезды в терминах ее величины. В общем, чем ярче звезда, тем ниже ее назначенная величина. Для описания звезды используются два значения величины - кажущееся и абсолютное. Видимая величина относится к тому, насколько яркой звезда выглядит с Земли.

Видимая звездная величина Солнца составляет -26,7; видимая звездная величина полной Луны составляет около -11. Сириус, самая яркая звезда в ночном небе, имеет видимую звездную величину -1,5. Напротив, самые слабые объекты, видимые через космический телескоп Хаббла имеют (приблизительно) видимую величину 30.

Абсолютная величина - это то, насколько яркой выглядела бы звезда, если смотреть на нее с расстояния 10 парсеков, или 32,6 световых лет. Абсолютная величина Солнца равна 4,8. Кажущаяся величина основана на размере звезды, температуре и расстоянии. Температура определяется по ее спектру. Если расстояние известно, астрономы могут вычислить размер звезды и назначить значение ее абсолютной величины.

Некоторые звезды, яркость которых регулярно меняется, предоставляют астрономам важный способ оценки расстояний до удаленных галактик. У таких звезд абсолютная величина тесно связана с периодом изменения их яркости. Астрономы могут использовать наблюдаемый период для определения абсолютной величины, а затем сравнить ее с видимой яркостью, чтобы оценить расстояние.

Виды звёзд

Астрономы открыли все виды звезд — от огромных, ярко-красных сверхгигантов, более чем в 100 раз превышающих диаметр Солнца, до чрезвычайно плотных нейтронных звезд всего около 12 миль в поперечнике. Солнце находится примерно в среднем диапазоне размеров и яркости звезд.

Самые крупные звезды - это холодные красноватые сверхгиганты: у них низкая температура поверхности, но они настолько яркие, что должны быть чрезвычайно большими, чтобы испускать столько энергии. Белые карлики, с другой стороны, очень слабы, несмотря на их высокую температуру поверхности, и поэтому должны быть очень маленькими — только размером с Землю.

Что такое звезда?

Астрономы обнаружили, используя анализ спектров звезд, что звезды состоят в основном из простейших элементов: водорода и гелия. Эти элементы находятся в газообразном состоянии. Однако в большинстве звезд температура настолько высока (от тысяч до миллионов градусов), что газ ионизируется (с электронами, отделенными от атомных ядер) — состояние, называемое плазмой.

Взаимное гравитационное притяжение вещества звезды - это то, что заставляет ее принимать приблизительно сферическую форму. На самом деле, если бы не было ничего, что могло бы противодействовать этой внутренней силе, звезда коллапсировала бы до очень малых размеров. Однако гравитационное сжатие газа нагревает его до очень высоких температур.

С открытием ядерной энергии астрономы смогли объяснить длительный выход энергии Солнца в результате ядерного синтеза: водород глубоко внутри Солнца сплавлялся вместе, образуя гелий. Этот процесс настолько энергичен, что может уравновесить внутреннюю силу гравитации. Звезды, таким образом, по существу являются полем битвы между двумя силами — внутренним давлением гравитации и внешним давлением тепла, генерируемого ядерным синтезом.

Жизнь звезд

Считается, что звезды образуются, когда большие облака газа и пыли, называемые туманностями, сжимаются гравитационно (хотя другие силы также могут играть определенную роль). В конце концов они становятся достаточно горячими (несколько миллионов градусов) в центре, чтобы начать синтез водорода в гелий. К этому времени газ уже ярко светится, и рождается звезда.

Однако это не может продолжаться вечно, поскольку в конечном итоге большая часть водородного “топлива” превращается в гелий. У самых крупных звезд это занимает всего несколько миллионов лет. Звезды с очень низкой массой, с меньшим гравитационным давлением для битвы, потребляют свое топливо очень медленно и могут длиться триллион лет. Солнце находится на промежуточном уровне, с предполагаемой продолжительностью жизни около 10 миллиардов лет, которая, как полагают, находится почти на полпути.

Когда ядро звезды превращается в гелий, в его структуре происходят драматические изменения. Компьютерные модели, основанные на наблюдениях многих звезд на разных стадиях развития, предсказывают, что звезды, подобные Солнцу, увеличатся примерно в сто раз по сравнению с их прежним диаметром. После относительно короткого периода в качестве такого красного гиганта звезда потеряет свои внешние слои, оставив небольшое горячее ядро. Затем ядро сжимается, образуя белый карлик. Сотни таких объектов были изучены, что в целом подтверждает предсказания.

Звезды, рожденные с гораздо большей массой, чем Солнце, переживают еще более драматические события. Под огромным давлением такая звезда выполняет многочисленные дополнительные реакции синтеза в своем ядре, производя широкий спектр элементов, вплоть до железа. В этот момент сверхплотное ядро может внезапно схлопнуться, что приведет к колоссальному взрыву, называемому сверхновой звездой.

Многие подобные события наблюдались с Земли, причем некоторые из них были настолько яркими, что их можно было увидеть среди бела дня. За несколько недель взрывающаяся звезда может затмить целую галактику из ста миллиардов звезд. Элементы, выброшенные в космос, могут стать частью туманностей, которые в конечном итоге будут включены в будущие поколения звезд и планет.

После некоторых типов взрывов сверхновых звёзд остается чрезвычайно плотное ядро. Этот объект, называемый нейтронной звездой, имеет массу Солнца и состоит в основном из нейтронов. Его вещество настолько компактно, что чайная ложка его имеет массу небольшой горы. Некоторые нейтронные звезды быстро вращаются, испуская излучение в космос. Если луч захватывает Землю, астрономы могут обнаружить его как серию импульсов радиоволн или иногда излучение на других длинах волн. Такая нейтронная звезда называется пульсаром.

Чёрная дыра

Даже более массивные звезды могут коллапсировать до такой высокой плотности, что их мощное гравитационное притяжение не позволит даже свету или чему-либо еще вырваться наружу. Они называются черными дырами. Черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса одной умирающей звезды, могут иметь лишь несколько миль в поперечнике, но гораздо более крупные — с массой миллионов Солнц и размером Солнечной системы — предположительно существуют в центрах многих галактик.

Часто нейтронные звезды и черные дыры обнаруживаются только из-за их воздействия на соседние звезды-компаньоны. Газ (в основном водород) оттягивается от звезды-компаньона и затем быстро закручивается вниз на нейтронную звезду или черную дыру. Сильный нагрев при сжатии и ускорение газа приводит к тому, что он испускает рентгеновские лучи, которые могут быть обнаружены с наземных спутников. Такие двойные звездные системы называются рентгеновскими двойниками.

Межзвездная Материя

Пространство между звездами содержит газ и пыль с чрезвычайно низкой плотностью. Эта материя имеет тенденцию сгущаться в облака. Эти облака называются туманностями когда они блокируют более далекий звездный свет, отражают звездный свет или нагреваются звездами так, что они светятся.

Межзвездная пыль состоит из мелких частиц или зерен. Расстояния между звездами настолько велики, что пыль может блокировать свет от далеких звезд. Известно много маленьких темных областей, где почти не видно звезд. Это темные туманности, пылевые облака с плотностью выше средней, которые достаточно плотны, чтобы затмить свет за ними.

Пылинки блокируют синий свет больше, чем красный, поэтому цвет звезды может казаться другим, если ее видеть сквозь много пыли. Чтобы определить температуру такой звезды, астрономы должны оценить ее цвет как более голубой, чем кажется, потому что большая часть ее голубого света теряется в пыли. Когда облака пыли возникают вблизи ярких звезд, они часто отражают звездный свет во всех направлениях. Такие облака известны как отражательные туманности.

Межзвездный газ примерно в 100 раз плотнее пыли, но все же имеет чрезвычайно низкую плотность. Газ не мешает проходящему через него звездному свету, поэтому его обычно трудно обнаружить. Однако, когда газовое облако возникает вблизи горячей звезды, излучение звезды заставляет газ светиться.

Межзвездный газ, как и большинство звезд, состоит в основном из самого легкого элемента, водорода, с небольшим количеством гелия и только следами других элементов. Водород легко светится в горячих областях. В холодных областях водород испускает радиочастотное излучение. Большинство межзвездных газов можно обнаружить, только обнаружив эти радиоволны.

Водород встречается частично в виде отдельных атомов и частично в виде молекул (два атома водорода соединены вместе). Молекулярный водород обнаружить еще труднее, чем атомарный, но он должен существовать в изобилии. Другие молекулы были обнаружены в межзвездном газе, потому что они испускают низкочастотное излучение. Эти молекулы содержат другие атомы, кроме водорода: кислород или углерод встречается в гидроксильных радикалах и в монооксиде углерода,  формальдегиде и многих других, включая многие органические молекулы.

Там, где есть большое количество молодых звезд, есть также большое количество межзвездного газа и пыли. Новые звезды постоянно формируются из газа и пыли в областях, где облака имеют высокую плотность. Хотя многие звезды сдувают часть своего материала обратно в межзвездные области, газ и пыль медленно расходуются. Астрономы теоретизируют, что в конце концов наступит время, когда новые звезды не смогут образоваться, и звездная система будет медленно угасать по мере того, как звезды сгорают одна за другой.

Галактики

Звезды встречаются в огромных группах, называемых галактиками. Ученые подсчитали, что в больших галактиках может быть до триллиона звезд, а в самых маленьких - менее миллиона. Крупные галактики могут иметь диаметр 100 000 и более световых лет.

Галактики могут иметь любую из четырех общих форм. Эллиптические галактики имеют небольшую структуру или вообще не имеют ее, и их общая форма варьируется от умеренно плоской и круглой или овальной до сферической.

Спиральные галактики имеют небольшую яркую центральную область, или ядро, и рукава, которые выходят из ядра и вращаются вокруг него, как гигантское колесо. В зарешеченных спиральных галактиках рукава вытягиваются в стороны короткой прямой линией, прежде чем превратиться в спиральную форму. Оба вида спиральных систем плоские. Нерегулярные галактики обычно довольно малы и не имеют симметричной формы.

Радиогалактики, квазары и темная материя

Долгое время считалось, что галактики - это более или менее пассивные объекты, содержащие звезды, межзвездный газ и пыль и светящиеся излучением, которое испускают их звезды.

Когда астрономы получили возможность проводить точные наблюдения радиочастот, приходящих из космоса, они были удивлены, обнаружив, что многие галактики излучают большое количество энергии в области радио. Обычные звезды настолько горячи, что большая часть их энергии испускается в видимом свете, с небольшим количеством энергии, испускаемой на радиочастотах.

Кроме того, астрономы смогли сделать вывод, что это излучение было испущено заряженными частицами чрезвычайно высокой энергии, движущимися в магнитных полях.

Многие галактики, в частности радиогалактики, демонстрируют признаки расширения межзвездной материи от своих центров, как будто в их ядрах произошли гигантские взрывы. Гигантская эллиптическая галактика, известная как M87, имеет поблизости струю материала, которую она, по-видимому, выбросила в прошлом.

Астрономы обнаружили, что во многих галактиках звезды вблизи центра движутся очень быстро, очевидно, вращаясь вокруг какого-то очень массивного невидимого объекта. Наиболее вероятное объяснение состоит в том , что в центре большинства крупных галактик скрывается гигантская черная дыра, масса которой в миллионы или даже миллиарды раз превышает массу Солнца. Когда звезды и газ закручиваются спиралью в эти черные дыры, большая часть их массы исчезает из поля зрения. Сильный нагрев и сжатие производят огромный выброс энергии, включая высокоскоростные струи вещества (например, в M87).

Очень далекие галактики иногда обнаруживают в своих центрах чрезвычайно энергичные источники света и радиоволн. Обычно считается, что эти объекты , называемые квазарами, находятся на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от Земли. Это означает, что астрономы, наблюдающие квазары, на самом деле заглядывают на несколько миллиардов лет в прошлое. Большинство астрономов считают, что квазары представляют собой раннюю фазу жизни некоторых галактик, когда центральные черные дыры, с большим количеством свежего газа и звезд производили огромное количество энергии.

Еще одна проблема уже много лет озадачивает астрономов. Большинство, если не все, галактик встречаются в скоплениях, предположительно удерживаемых вместе гравитацией членов скопления. Однако при измерении движения членов скопления почти в каждом случае обнаруживается, что галактики движутся слишком быстро, чтобы удерживаться вместе только гравитацией видимой материи.

Астрономы полагают, что в этих скоплениях должно быть большое количество невидимой материи — возможно, в 10 раз больше, чем можно увидеть. Хотя некоторые из них, вероятно, состоят из таких объектов, как черные дыры и нейтронные звезды, большинство из них, как полагают, являются “темной материей” неизвестного происхождения.

Галактика Млечный Путь

Как и большинство звезд, Солнце принадлежит галактике. Поскольку Солнце и Земля встроены в галактику, астрономам трудно получить общее представление об этой галактике. На самом деле, то, что можно увидеть в его структуре, - это слабая полоса звезд, называемая Млечным Путем (слово “галактика”происходит от греческого слова "молоко"). Из-за этого галактика была названа галактикой Млечного Пути.

Видимая полоса Млечного Пути, кажется, образует большой круг вокруг Земли. Это указывает на то, что галактика довольно плоская, а не сферическая. (Если бы она была сферической, звезды не были бы сосредоточены в одной полосе.) Солнце расположено на внутреннем краю спирального рукава. Центр, или ядро, галактики находится на расстоянии около 27 000 световых лет в направлении созвездия Стрельца. Все звезды, которые видны без телескопа, принадлежат к галактике Млечный Путь.

Не все звезды галактики ограничены галактической плоскостью. Есть несколько звезд, которые встречаются намного выше или ниже диска. Обычно это очень старые звезды, и они образуют то, что называется гало галактики. Очевидно, галактика изначально представляла собой примерно сферическую массу газа. Его гравитация и вращение заставили его свернуться в дискообразную форму, которую он имеет сегодня. Звезды, образовавшиеся до коллапса, оставались в своих прежних положениях, но после коллапса дальнейшее звездообразование могло происходить только в плоском диске.

Все звезды в галактике движутся по орбитам вокруг ее центра. Солнцу требуется около 200 миллионов лет, чтобы завершить орбиту. Орбиты большинства из этих звезд почти круглые и находятся почти в одном направлении. Это дает ощущение вращения галактике в целом, даже когда вся галактика движется в пространстве.

Темные облака пыли почти полностью закрывают астрономам обзор центра галактики Млечный Путь. Однако радиоволны проникают сквозь пыль, поэтому радиотелескопы могут дать астрономам представление о ядре галактики. В этой области звезды движутся по очень быстрым, узким орбитам, что подразумевает существование огромной массы в центре.

Околоземная рентгеновская обсерватория Чандра обнаружила вспышки рентгеновских лучей, длящиеся всего несколько минут, которые лучше всего объясняются существованием черной дыры. Инфракрасные наблюдения, проведенные в ESO, показали, что эта сверхмассивная черная дыра имеет массу, примерно в 4,3 миллиона раз превышающую массу Солнца.

Вселенная

Космология - это научное исследование природы, истории, развития и судьбы Вселенной. Делая предположения, которые не противоречат поведению наблюдаемой Вселенной, ученые строят модели или теории, которые пытаются описать Вселенную в целом, включая ее происхождение и будущее. Они используют каждую модель до тех пор, пока не найдут что-то противоречащее ей. Затем модель должна быть изменена или отброшена.

Космологи обычно предполагают, что, за исключением небольших неоднородностей, Вселенная имеет одинаковый вид для всех наблюдателей (а законы физики идентичны), независимо от того, где во Вселенной находятся наблюдатели и в каком направлении они смотрят. Это недоказанное понятие называется космологическим принципом.

Одно из следствий космологического принципа состоит в том, что Вселенная не может иметь края, поскольку наблюдатель, находящийся вблизи края, будет иметь иной взгляд, чем наблюдатель, находящийся вблизи центра. Таким образом, пространство должно быть бесконечным и равномерно заполненным материей, или геометрия пространства должна быть такой, чтобы все наблюдатели видели себя в центре.

Кроме того, астрономы считают, что единственное движение, которое может произойти, за исключением небольших неравномерностей, - это равномерное расширение или сжатие Вселенной.

Теория Большого взрыва

Поскольку Вселенная кажется расширяющейся, кажется, что в прошлом она была меньше. Это основа эволюционных теорий вселенной. Если бы можно было проследить галактики назад во времени, то можно было бы найти время, когда они все были близко друг к другу. Наблюдения за скоростью расширения показывают, что это было между 13 и 14 миллиардами лет назад.

Таким образом, возникает картина эволюционирующей Вселенной, которая началась с какого-то “взрыва” - большого взрыва. В некоторых моделях Вселенной расширение продолжается вечно. Другие говорят, что оно остановится, и за ним снова последует сокращение до небольшого объема. Однако данные, полученные с конца 1990-х годов о скоростях спада далеких сверхновых звёзд, убедительно свидетельствуют о том, что расширение на самом деле ускоряется.

Это может означать, что Вселенная будет расширяться вечно. В настоящее время астрономы пытаются объяснить это ускорение. В настоящее время любимым объяснением является идея темной энергии, которая может обеспечить силу отталкивания, которая противодействует взаимному гравитационному притяжению Вселенной.

Когда астрономы наблюдают объект на большом расстоянии, они видят его таким, каким он выглядел давным-давно, потому что для прохождения света требуется время. Галактика, рассматриваемая на расстоянии миллиарда световых лет, видна такой, какой она была миллиард лет назад.

Отдаленные галактики действительно отличаются от соседних галактик. Они кажутся ближе друг к другу, чем соседние, что противоречит утверждениям о стационарном состоянии, но согласуется с точкой зрения, что Вселенная имела большую плотность в прошлом. Кроме того, было обнаружено слабое свечение излучения, исходящее равномерно со всех сторон. Расчеты показывают, что это может быть излучение, оставшееся от Большого взрыва.

История астрономии

Руины многих древних сооружений свидетельствуют о том, что их строители наблюдали движение Солнца, Луны и других небесных тел. Самым известным из них , вероятно, является английский Стоунхендж, который был построен примерно между 3100 и 1550 годами до нашей эры. Некоторые из больших камней памятника были выровнены по отношению к положению восходящего солнца в день летнего солнцестояния. Несколько сотен других древних сооружений, показывающих астрономическое выравнивание, также были найдены в Европе, Египте и Америке.

Во многих ранних цивилизациях астрономия была достаточно развита, чтобы создать надежные календари. В Древнем Египте астрономы-жрецы отвечали за предсказание сезона ежегодного разлива реки Нил. Майя, жившие на территории современной Центральной Мексики, разработали сложную календарную систему около 2000 лет назад. Дрезденский кодекс, текст Майя 1-го тысячелетия нашей эры, содержит исключительно точные астрономические расчеты, включая таблицы, предсказывающие затмения и движения Венеры.

В Китае календарь был разработан в 14 веке до нашей эры. Около 350 года до нашей эры китайский астроном Ши Шэнь составил, возможно, самый ранний звездный каталог, содержащий около 800 звезд. Китайские летописи упоминают о кометах, метеорах и больших солнечных пятнах

Древнегреческие астрономы знали многие геометрические соотношения небесных тел. Некоторые, включая Аристотеля, считали Землю сферой. Эратосфен, родившийся около 276 года до нашей эры, продемонстрировал её окружность. Гиппарх, живший около 140 года до нашей эры, был талантливым астрономом. Среди многих достижений он классифицировал звезды в соответствии с видимой яркостью, оценил размер и расстояние до Луны, нашел способ предсказывать затмения и рассчитал продолжительность года.

Самым влиятельным древним астрономом в истории был Птолемей (Клавдий Птолемей) Александрийский, живший около 140 г. Его геометрическая схема предсказывала движение планет. По его мнению, Земля занимала центр вселенной. Его теория, аппроксимирующая истинное движение небесных тел, была непоколебима вплоть до конца Средних веков.

Система Коперника

В 1543 году, в год смерти Коперника, была опубликована его теория о том, что Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца. Его предложение противоречило всем авторитетам того времени и вызвало большие споры. Галилей поддержал теорию Коперника своими наблюдениями, что другие небесные тела, спутники Юпитера, явно не вращаются вокруг Земли.

Великий датский астроном Тихо Браге отверг теорию Коперника. Однако позже его данные о положении планет были использованы для подтверждения этой теории. Когда тихо умер, его помощник Иоганн Кеплер проанализировал данные и разработал законы движения планет. В 1687 году Ньютоновский закон тяготения и законы движения объяснили законы Кеплера.

Тем временем приборы, доступные астрономам, становились все более совершенными. Начиная с Галилея, телескоп использовался для обнаружения многих до сих пор невидимых явлений, таких как вращение спутников вокруг других планет.

Развитие спектроскопа в начале 1800-х годов было крупным шагом вперед в развитии астрономических инструментов. Позднее фотография стала неоценимым подспорьем для астрономов. Они могли на досуге изучать фотографии и делать на них микроскопические измерения.

Даже более поздние инструментальные разработки - включая радар, телескопы, которые обнаруживают электромагнитное излучение, отличное от видимого света, а также космические зонды и пилотируемые космические полеты помогли ответить на старые вопросы и открыли астрономам глаза на новые проблемы.

Исследование космоса

Исследование космоса - одно из самых увлекательных начинаний современности. Оно перенесло сначала приборы, а затем и самих людей за пределы земной атмосферы, в такую даль, которая до сравнительно недавнего времени была едва ли известна или понятна. Хотя его границы уже пересеклись, космос все еще таит в себе тайны и, несомненно, бесчисленные сюрпризы.

Космическая эра началась 4 октября 1957 года, когда Советский Союз успешно вывел на околоземную орбиту первый искусственный спутник Земли-Спутник-1. Менее чем через четыре года, 12 апреля 1961 года, советский космонавт Юрий Гагарин стал первым человеком, побывавшим в космосе, когда он вращался вокруг Земли на борту космического корабля "Восток-1".

Беспилотные космические зонды приземлились на спутнике Земли и спутнике Сатурна Титане, на планетах Венера и Марс, а также на астероидах. Космические зонды также пролетели мимо всех планет. Кроме того, беспилотные космические аппараты включают зондирующие ракеты и искусственные спутники, которые используются для научных исследований, телекоммуникаций, метеорологии, фоторазведки, навигации и многих других применений.

Космос

Космос - это область за пределами земной атмосферы. Его начало трудно определить, потому что атмосфера не заканчивается внезапно, а просто становится все тоньше и тоньше с увеличением высоты.

Для человека условия космоса начинаются примерно с 13 700 метров. Выше этого уровня требуются герметичные скафандры или кабина для дыхания. Воздушные шары поднялись примерно до 45 700 метров. Реактивные самолеты, не требующие кислорода из воздуха, поднимаются на высоту более 108 километров, то есть на уровень выше 99 процентов атмосферы.

На высоте около 160 километров спутники могут вращаться вокруг Земли. Межлунное пространство - это пространство между Землей и Луной. Межпланетное пространство лежит между Солнцем и планетами Солнечной системы. Межзвездное пространство лежит между звездами галактики. Межгалактическое пространство лежит между мириадами галактик Вселенной.

Хотя оно содержит меньше вещества на единицу объема, чем самые высокие вакуумы, которые могут быть произведены в лабораториях, пространство далеко не пусто. Обширные просторы между крупными небесными телами пронизаны излучением и сметены заряженными частицами и материей, начиная от крупных метеороидов до крошечных зерен, известных как космическая пыль.

Исследование космоса

Основной причиной освоения космоса является расширение знаний о Земле, Солнечной системе и Вселенной за ее пределами. Искусственные спутники дали много новой информации о Земле. Наблюдательные пункты над атмосферой Земли позволяют астрономам наблюдать излучение, которое не проникает в атмосферу Земли. Космические аппараты, совершающие далекие от Земли полеты, собрали новые данные о Луне и планетах.

Исследование космоса также имеет непосредственное практическое значение. Метеорологические спутники помогают в прогнозировании погоды. Спутники связи умножают международные каналы связи и делают возможной межконтинентальную передачу телевидения. Навигационные спутники направляют корабли. Геодезические спутники делают возможными карты беспрецедентной точности. Наконец, многие продукты космической техники находят применение на Земле.

Однако, возможно, самой большой и убедительной причиной для исследования космоса является ненасытное любопытство человечества. Современные исследователи космоса исследуют пространство за пределами своей планеты в ответ на тот же непреодолимый соблазн неизвестности, который побуждал их предшественников пересекать океаны и континенты, искать полюса Земли, курсировать по воздуху, взбираться на горы и погружаться в морские глубины.

Циолковский

Константин Евгеньевич Циолковский, русский школьный учитель, был одним из первых теоретиков-первопроходцев. Он был первым, кто вывел фундаментальное уравнение ракеты, с помощью которого можно вычислить конечную скорость ракеты, если известны масса ракеты, масса ее топлива и скорость ее выхлопа. Циолковский также предложил использовать жидкое топливо и многоступенчатые ракеты. К середине 1930-х годов советское общество выпустило жидкостные зондирующие ракеты, достигавшие высоты около 9,6 километра.

Космическая ракета

Для полета над атмосферой Земли необходимо устройство, несущее как топливо, так и окислитель и не зависящее от атмосферы в качестве опоры. Это устройство - ракета, реактивный двигатель, работающий в соответствии с третьим законом движения Ньютона, который гласит, что “для каждого действия существует равная и противоположная реакция.” Ракета приводится в движение толчком вперед, который возникает в результате реакции на выброс выхлопных газов из задней части ракеты на чрезвычайно высоких скоростях.

Большинство ракет, используемых в космосе, являются многоступенчатыми, в которых одна ракета помещается поверх другой. Последовательные ступени отбрасываются по мере того, как они исчерпывают свое топливо. Этот процесс повышает эффективность транспортного средства, поскольку по мере удаления каждой порожней ступени масса, которая должна ускоряться на остальных ступенях, уменьшается.

Мощность ракеты называется ее тягой. Горячие газы, обеспечивающие тягу и привод ракеты, образуются при сгорании ракетных топлива и окислителя. Топливо может быть как твердым, так и жидким. Твердые тела легче обрабатывать и хранить, чем жидкости, но жидкости производят больше тяги на фунт топлива, и их можно дросселировать — то есть их тягу можно варьировать. Поэтому жидкое топливо обычно используется для космических аппаратов. Распространенной комбинацией является жидкий кислород в качестве окислителя и тяжелые углеводороды (такие как керосин) или жидкий водород в качестве топлива.

Хотя химические ракеты первоначально считались слишком неэффективными для запуска больших пилотируемых космических аппаратов в длительных полетах, технический прогресс сделал их одним из наиболее распространенных типов ракет в 20-м и 21-м веках. При дальнейшем развитии ядерные и термоядерные двигатели могут широко использоваться в будущем.

Зондирующие ракеты и ракеты-носители

Ракеты, используемые сегодня в освоении космоса, можно разделить на две группы: зондирующие ракеты и ракеты-носители.  Зондирующие ракеты полезны для изучения атмосферы на высоте от 30 до 160 километров над землей. На этих высотах воздух слишком разрежен, чтобы поддерживать воздушные шары или самолеты, но слишком плотен, чтобы спутники могли находиться на орбите более нескольких дней.

Ракеты-носители - это ракеты, которые используются для выведения космических аппаратов на околоземную орбиту или для разгона их за пределы земной близости.  В то время как большинство ракет - носителей используют жидкое топливо, некоторые из них приводятся в движение твердым топливом, а другие имеют как жидкие, так и твердые ступени.

Космодромы

По соображениям безопасности космодромы обычно располагаются так, чтобы ракеты могли запускаться над большими открытыми пространствами — океанами или малонаселенными землями. Среди крупнейших в мире пусковых комплексов, находящихся в постоянном пользовании, - космодром в США и российский космодром в Казахстане. Другие крупные космические объекты включают спонсируемую ЕКА площадку французского космического агентства в Куру - Французская Гвиана, и японскую площадку в Кагосиме.

Запуск космического корабля

Процесс запуска космического корабля начинается на несколько недель или месяцев раньше срока сборки приборов, которые будут выполнять эксперименты или операции миссии. Эта интеграция обычно происходит в несколько этапов, в ходе которых специалисты соединяют компоненты и следят за тем, чтобы они работали вместе.

 

2021 © www.turizm-for-you.ru