Как дотянуться до звезды доклад по астрономии
Обновлено: 28.04.2024
Расстояния до звезд
Радиус Земли оказывается слишком малым, чтобы служить базисом для измерения параллактического смещения звезд и для определения расстояний до них. Еще во времена Коперника было ясно, что если Земля действительно перемещается в пространстве, обращаясь вокруг Солнца, то видимые положения звезд на небе должны меняться. Земля за полгода перемещается на величину диаметра своей орбиты. Направления на звезду с двух концов диаметра этой орбиты должны различаться на величину параллактического смещения. Иначе говоря, у звезд должен быть заметен годичный параллакс. Годичным параллаксом звезды называется угол, под которым со звезды видна большая полуось земной орбиты перпендикулярная к лучу зрения. Параллакс звезд не был обнаружен, и Коперник правильно утверждал, что это происходит потому, что звезды слишком далеки от Земли, чтобы существовавшими тогда приборами можно было обнаружить параллактическое смещение звезд при базисе, равном диаметру земной орбиты. Наблюдения положения звезды на небе делаются в моменты, разделенные полугодом. За это время Земля переносит наблюдателя на расстояние, равное диаметру ее орбиты. В настоящее время способ определения годичного параллакса является основным при определении расстояний до звезд.
Впервые годичный параллакс звезды был надежно измерен выдающимся русским ученым В. Я. Струве в 1837 г. Он измерил годичный параллакс звезды Веги. Одновременно с этим в других странах измерили параллаксы еще у двух звезд. Одной из них была Альфа (а) Центавра. Она оказалась ближайшей к нам звездой с годичным параллаксом р=0", 75. Под таким углом невооруженному глазу видна проволочка толщиной 1мм с расстояния 280 м. Не удивительно, что так долго не могли заметить у звезд подобные столь малые угловые смещения.
Расстояние до звезды D = a/sin(p), где а — большая полуось земной орбиты. Если выражать р в секундах дуги, то при малости р D = а/(р"sin1"). Если принять а за единицу, то, зная, что sin1" = 1/206265 получим D=206265/pастрономических единиц.
Расстояние до ближайшей звезды а Центавра D=206 265/(3/4) = = 270 000 а. е. Свет проходит расстояние до а Центавра за 4 года, тогда как от Солнца до Земли он идет только 8 мин, а от Луны 1сек.
Расстояния до звезд удобно выражать в парсеках (пс). Парсек— расстояние, с которого большая полуось земной орбиты, перпендикулярная к лучу зрения, видна под углом в 1". Расстояние в парсеках равно обратной величине годичного параллакса, выраженного в секундах дуги. 1 парсек = 3, 26 светового года = 3*1013 км. Расстояние до звезды а Центавра равно 4/3 пс.
Измерением годичного параллакса можно надежно установить расстояния до звезд, находящихся не далее 100 пс или 300 световых лет. Расстояния до более далеких звезд в настоящее время можно определить иногда другими методами
Светимость звезд
Светимостью звезды L называется ее истинная сила света по сравнению с силой света Солнца.
Абсолютной звездной величиной М называется та видимая звездная величина, которую имела бы звезда, если бы находилась от нас на стандартном расстоянии D0 = 10 пс.
Величины L и М легко вычислить, если известны расстояние до звезды D и параллакс р. В самом деле, блеск источника света меняется обратно пропорционально квадрату расстояния.
Величины М и I в разных единицах выражают истинную силу света звезды независимо от расстояния до нее.
Абсолютные величины очень ярких звезд отрицательны и доходят до М = —8, а иногда и выше. Такие звезды называются гигантами и сверхгигантами. Звезда S Золотой Рыбы ярче нашегр Солнца в 500 000 раз, ее светимость L=500 000, и видно ее в южном полушарии неба лишь в сильный бинокль. А наше Солнце считается звездой-карликом! Наименьшую силу света имеют холодные красные карлики с М=17 и L = 0, 000 013.
Существуют звезды одинаковой температуры и цвета, но с разной светимостью. У таких звезд спектры в общем одинаковы, однако можно заметить различия в относительных интенсивностях некоторых линий. Это происходит оттого, что при одинаковой температуре давление в их атмосферах несколько различно. В атмосферах звезд-гигантов давление меньше, они разреженнее.
Существуют типы звезд, меняющих свой блеск по определенному закону и имеющих определенную абсолютную звездную величину. Тогда, зная их абсолютную звездную величину и сравнивая ее с их видимой величиной, мы можем определить расстояние до звезд. Такими способами удалось вычислить расстояния до определенных типов звезд, составляющие иногда несколько миллионов световых лет.
Источником энергии Солнца и большинства звезд являются ядерные реакции превращения водорода в гелий. Они происходят в недрах звезд при температурах внесколько десятков миллионов градусов.
Мы живем в век технологического и научного прогресса: космические станции выходят на орбиты астероидов, два зонда вышли в межзвездное пространство (пусть и летели туда не одно десятилетие), миллиардеры строят ракеты и планируют заниматься космическим туризмом, мы создаем умопомрачительных размеров ускорители частиц, на которых надеемся обнаружить более фундаментальные частицы и взаимодействия. Но все это происходит не так далеко от нас — в широком смысле. Все это осуществляется на Земле. Международная космическая станция располагается всего в 408 километрах над поверхностью планеты, а между тем Луна — наш спутник и ближайшее небесное тело — находится в почти одной световой секунде от нас, в 384 400 километрах от Земли.
Взять, примеру, ту же проксиму Центавра — ближайшую звезду. Как мы упомянули выше, она находится в четырех световых годах от нас. Дабы понять, что это значит, надо всего лишь уложить в своей голове, что для того, чтобы туда добраться, придется лететь к ней с постоянной скоростью в 300 тысяч километров в секунду на протяжении четырех лет. Самому быстрому космическому аппарату из когда-либо запущенных людьми понадобилось бы затратить на этот путь десятки тысяч лет, а если быть точнее — 80 тысяч лет New Horizons летел бы до проксимы Центавра.
И речь идет не о каких-то пространных правилах, которые неприменимы к каждому моменту времени. Речь о физических законах Вселенной, которые запросто разрушат все ваши воздушные замки, если вы попытаетесь их игнорировать. От этих законов зависит ваша недолгая жизнь, которой необходимы атмосфера, определенное давление, температура и еще много чего.
И речь не об отряде космического десанта, снаряженного футуристическим оружием, который отправили к соседней звезде для защиты колонистов от каких-нибудь ксеноморфов, гигантских жуков или исполинских червей.
Скажем, речь идет о небольшом роботизированном аппарате, который отправят с Земли до альфы Центавра. Самый быстрый космический аппарат из когда-либо запущенных — New Horizons, он летит со скоростью 58,5 тысячи километров в час. Этому храброму маленькому зонду понадобится около 80 тысяч лет, чтобы добраться до альфы Центавра.
По большей части дело в том, что у нас нет достаточно мощной силовой установки. Самый перспективный вариант на сегодня — ионный двигатель, который NASA использовало на своем аппарате Dawn. По некоторым предположениям, такой двигатель помог бы достичь альфы Центавра примерно за 19 тысяч лет после гравитационного маневра вокруг Солнца.
Это уже позволило бы сэкономить немалые 60 тысяч лет — время, которое мы могли бы потратить на изобретение новых способов ускорения, новых двигателей. Мы могли бы изобрести функциональный двигатель Алькубьерре или тот же бассердовский двигатель, например, а значит, найти способы манипулировать в высокой степени не только веществом, но и самим пространством-временем.
Кроме того, в NASA какое-то время испытывали футуристическую технологию, известную как EmDrive. Правда, по сей день это не более чем интересная концепция и спекуляция, однако если его когда-то удастся заставить EmDrive работать как задумано — а значит, в космосе для движения уже не будет нужно какое-либо топливо, — то все равно придется учитывать законы физики. Не стоит забывать, что невозможно двигаться быстрее света. На что у того же NASA есть еще один ответ: варп-двигатель.
Этот двигатель основан на концепции, исследованиях и расчетах Мигеля Алькубьерре, который его и предложил в 1994 году. Если физикам и техникам когда-то удастся претворить эту смелую идею в жизнь, то такой двигатель позволит делать именно то, что часто происходит в научной фантастике: сжимать пространство и перемещаться в нем быстрее света. Но пока что все сводится к концепт-артам гипотетических кораблей с варп-двигателями и очень сложной математике. Для работы такого двигателя необходима так называемая экзотическая материя, обладающая свойствами отрицательной энергии, — что это и откуда это взять, не может сегодня сказать ни один ученый. А это, в свою очередь, немаленькое препятствие на пути к реализации такой технологии.
На каком же этапе по факту мы находимся сегодня, говоря о готовности к путешествию к другой звезде, даже ближайшей? Вкратце: на Марсе все еще нет ни одного человека, а на Луне мы не были с 1972 года. Концепция зондов Breakthrough Starshot с 2017 года так и остается концепцией. Если говорить об ученых, то астробиолог Адам Франк из Рочестерского университета (читайте интервью с ним в грядущем выпуске нашего журнала) считает, что к звездам мы вряд ли полетим, но обязательно колонизируем Солнечную систему, если переживем изменение климата. Нам лишь остается ждать и мечтать.
Вряд ли когда-нибудь человек сможет сказать, что знает о звездах все. Но если учесть, что ближайшая из них удалена от нас на расстояние 149,6 млн км, то становится понятно, как много сложностей возникает у астрономов при изучении звезд. Однако, несмотря на все преграды, к настоящему времени человечество накопило массу информации об этих небесных телах, а астрономы каждый день открывают новые звезды.
То, что светящиеся точки на ночном небе — это звезды, в наши дни знают абсолютно все. А вот в глубокой древности люди по-разному воспринимали звезды. Одни считали, что у них над головой находится хрустальный купол с серебряными гвоздями, другие думали, что звезды — это глаза богов, постоянно наблюдающих за жизнью на Земле, третьи полагали, что звезды — это отверстия, сквозь которые на Землю проникает свет. И только знание законов природы и долгие наблюдения позволили понять, что же из себя представляют эти далекие и таинственные небесные тела.
Как образуется звезда?
Звезды, как и другие небесные тела, образуются из космических газопылевых облаков. Происходит это следующим образом. Мелкие пылинки притягиваются друг к другу. Постепенно их скопление становится все больше и больше. Постоянно увеличиваясь, пылевой сгусток принимает форму шара. Растет и его масса, при этом увеличивается и сила тяготения. Из-за нее возникает сжатие пылевого сгустка, внутренняя часть которого постепенно разогревается. А когда температура внутри этого образования достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции. Так рождается новая звезда!
Почему звезда горит?
Когда люди поняли, что звезда — это огненный шар, их стало интересовать, почему же она горит и не гаснет. А все потому, что звезда состоит из водорода, который, как известно, в ее ядре превращается в гелий — в результате этого процесса высвобождается огромное количество энергии в виде света. А не гаснет звезда в связи с тем, что термоядерные реакции внутри ее ядра происходят постоянно.
Иногда кажется, что звезды мерцают. Причиной такого зрительного эффекта является атмосфера нашей планеты. Лучи света, идущие от звезды к Земле , искажаются потоками воздуха , находящегося в атмосфере. Вследствие перехода из одной среды в другую луч света отклоняется , создавая эффект, будто звезда на мгновение исчезла.
Запомни: звезда излучает собственный свет. Этим она отличается от планеты , которая может только отражать свет.
Строение звезды
В самом центре звезды, в ядре, происходят термоядерные реакции, в результате которых водород превращается в гелий и выделяется энергия. Ядро окружает зона переноса излучения. Выше нее находится конвективная зона, в которой перенос энергии осуществляется за счет перемешивания вещества: холодный газ опускается, а горячий — поднимается. Конвективная зона покрыта фотосферой, которая дает основную часть излучения звезды. Такое строение является достаточно условным, так как существует большое количество типов звезд, у которых оно отличается.
Какие бывают звезды?
Звезды отличаются друг от друга по размерам, цвету, массе и температуре. Ученые делят их на красных и белых карликов, голубых и красных гигантов и супергигантов.
Красные карлики — это небольшие и относительно холодные звезды, наиболее распространенные в нашей галактике. Они не очень ярко светят и медленно сжигают свое топливо. Несмотря на явное преобладание красных карликов во Вселенной, из-за пониженной светимо
Запомни: чем больше масса звезды, тем меньше срок ее жизни. Это связано с тем, что большие звезды гораздо быстрее расходуют свое внутреннее топливо для термоядерных реакций, т.е. для поддержания собственного существования.
Как астрономы наблюдают за звездами?
Звезд в нашей галактике огромное количество, тем не менее существуют возможности наблюдения за ними на разных этапах их развития. Все светила, доступные для исследований, собраны в одну большую диаграмму, по которой можно проследить жизнь звезды.
Это интересно.
Красный гигант - звезда Бетельгейзе, имеет диаметр больше, чем орбита движения Земли вокруг Солнца.
На корпусе "Вояджера" закреплена пластина с картой пульсаров, показывающей местонахождение Солнца в Галактике, а также подробной информации об обитателях Земли. Ожидается, что пришельцы когда-нибудь найдут этот "каменный топор" и пожалуют к нам в гости. Но, если вспомнить об особенностях поведения всех технологический цивилизаций на Земле и историю завоеваний Америки конкистадорами, рассчитывать на "миролюбивый контакт" не приходится…
Задача экспедиции
Добраться за сто лет до системы Альфы Центавра.
100 лет займет перелет. Еще 4,36 года потребуется для передачи информации на Землю.
Большие надежды с проектом связывают астрономы — в случае успеха у них появится фантастический инструмент для измерения параллаксов (расстояний до других звезд) с базисом 4,36 св. года.
Вековой полет сквозь ночь также не пройдет бесцельно: аппарат проведет изучение межзвездной среды и позволит расширить наши познания о внешних границах Солнечной системы.
Выстрел к звездам
Главной и единственной проблемой космических перелетов являются колоссальные расстояния. Решив данный вопрос, мы решим все остальные. Сокращение полетного времени снимет вопрос о долговременном источнике энергии и высокой надежности систем корабля. Решится проблема с присутствием человека на борту. Кратковременный полет делает ненужными сложные системы жизнеобеспечения и гигантские запасы еды/воды/воздуха на борту.
Как показал расчет, для перелета к Альфе Центавра за 100 лет необходима скорость хотя бы 4,5% от скорости света. 13500 км/с.
Как разогнать межзвездный корабль до скоростей в тысячи км/с? Ответ очевиден: необходим двигатель с большой тягой и удельным импульсом не менее 1000000 секунд.
Удельный импульс — показатель эффективности реактивного двигателя. Зависит от молекулярного веса, температуры и давления газа в камере сгорания. Чем больше разница давлений в камере сгорания и во внешней среде, тем больше скорость истечения рабочего тела. И, следовательно, выше эффективность двигателя.
Лучшие образцы современных электрореактивных двигателей (ЭРД) имеют удельный импульс 10000 с; при скорости истечения пучков заряженных частиц — до 100000 км/с. Расход рабочего тела (ксенона/криптона) составляет считанные миллиграммы в секунду. Двигатель тихо гудит на протяжении всего полета, медленно разгоняя аппарат.
ЭРД подкупают своей относительной простотой, низкой стоимостью и потенциальной возможностью достижения высоких скоростей (десятки км/с), но из-за низкого значения тяги (менее одного Ньютона) разгон может занять десятки лет.
Другое дело — химические ЖРД, на которых держится вся современная космонавтика. У них огромная тяга (десятки и сотни тонн), но максимальный удельный импульс трехкомпонентного ЖРД (литий/водород/фтор) — всего 542 с, при скорости истечения газов чуть более 5 км/с. Это предел.
Жидкостные ракеты позволяют за короткое время увеличить скорость КА на несколько км/с, но на большее они не способны. Звездолету потребуется двигатель на иных физических принципах.
На сегодняшний день единственным реалистичным способом, позволяющим долететь до звезд, является импульсный ядерный (термоядерный) двигатель. Принцип работы основан на хорошо изученном в лабораторных условиях лазерном термоядерном синтезе (ЛТС). Концентрация большого количества энергии в малых объемах вещества за короткий промежуток времени (
Топливом служит смесь гелия-3/дейтерия. Необходимый запас топлива для межзвездного перелета составит 264 тонны.
Подобным образом планируется достичь невиданной эффективности: в расчетах фигурирует значение удельного импульса 1,02 млн. секунд!
В качестве основного источника энергии для питания систем корабля — лазеров импульсного двигателя, систем ориентации, связи и научных приборов — выбран обычный реактор на тепловыделяющих урановых сборках. Электрическая мощность установки должна составить не менее 300 кВт (тепловая мощность — почти на порядок выше).
С точки зрения современной техники, создание реактора, не требующего перезарядки в течение целого века, является делом непростым, но возможным на практике. Уже сейчас на боевых кораблях применяются ЯСУ, чья активная зона имеет срок службы, соизмеримый со сроком службы кораблей (30-50 лет). С мощностью также полный порядок — к примеру, ядерная установка ОК-650, установленная на подводных атомоходах ВМФ России, имеет тепловую мощность 190 мегаватт и способна обеспечить электроэнергией целый город с населением 50000 человек!
Проблемы межзвездных путешествий
Для управления зондом потребуется бортовой вычислительный комплекс с задатками искусственного интеллекта. В условиях, когда время передачи сигнала составляет свыше 4 лет, эффективное управление зондом с Земли невозможно.
Столь же оптимистично выглядит ситуация с системами связи. Для уверенной передачи информации с расстояния 4,36 св. года потребуется система лазеров, работающих на долине волны 0,532 микрон и с мощностью излучения 250 кВт. В этом случае, на каждый кв. метр поверхности Земли будет падать 222 фотона в секунду, что гораздо выше порога чувствительности современных радиотелескопов. Скорость передачи информации с максимального расстояния составит 1 кбит/с. Современные радиотелескопы и системы космической связи способны расширить канал обмена данными в несколько раз.
Отдельной строкой стоит вопрос о терморегуляции корабля.
Ядерный реактор мегаваттного класса и импульсный термоядерный двигатель являются источниками колоссального количества тепловой энергии, притом, в вакууме возможно лишь два способа теплоотвода — абляция и излучение.
Выходом может стать установка развитой системы радиаторов и излучающих поверхностей, а также теплоизоляционный керамический буфер между двигательным отсеком и топливными баками корабля.
Что касается самого зонда, то он традиционно будет иметь многоступенчатую компоновку с отделяющимися баками. Материал изготовления корпусных конструкций — алюминий/титановые сплавы. Общая масса собранного корабля на околоземной орбите составит 396 тонн, при максимальной длине 65 метров.
Для сравнения: масса Международной космической станции составляет 417 тонн при длине 109 метров.
1) Стартовая конфигурация на околоземной орбите.
2) 33-й год полета, отделение первой пары баков.
3) 67-й год полета, отделение второй пары баков.
4) 100-й год полета — прибытие к цели на скорости 15-30 км/с.
Отделение последней ступени, выход на постоянную орбиту вокруг Беты Центавра.
Эпилог
Все технологии и компоненты гипотетического межзвездного корабля существуют в реальности.
Если мы начнем работы сегодня, велика вероятность, что к середине XXII века наши счастливые правнуки увидят первые снимки системы Альфы Центавра с близкого расстояния.
Прогресс имеет необратимую направленность: каждый день жизнь продолжает удивлять нас новыми изобретениями и открытиями. Не исключено, через 10-20 лет все вышеописанные технологии предстанут перед нами в виде действующих образцов, выполненных на новом технологическом уровне.
И всё же путь до звезд слишком далек, чтобы об этом имело смысл рассуждать всерьез.
Где взять сто тонн этого вещества, если годовое производство гелия-3 составляет всего 60000 литров (8 килограммов) в год по цене до $2000 за литр?! Смелые фантасты связывают надежды с добычей гелия-3 на Луне и в атмосфере планет-гигантов, но никаких гарантий по этому поводу никто дать не может.
Любая система, зависящая от человеческой надежности, ненадежна. Однако стоит признать: в плане обеспечения надежности космических аппаратов нам удалось достигнуть определенных успехов.
Читайте также: