Что такое горизонт в астрономии


Занимаясь исследованиями космоса и неба, учёные установили, что всё вокруг находится в движении.
История возникновения координат и их системы началась ещё в древности. Очевидно, что разработка системы координат связана с потребностью ориентирования на местности, и пониманием структуры небесной поверхности.

Небо над облаками
Небо над облаками

Для определения расположения и перемещения объектов человечество разработало целую систему методов и способов. Более того, придумали специальные числовые и символичные обозначения.
На самом деле, систем, определяющих точки положения объектов, несколько. Главным образом отличаются они выбором главной плоскости и пунктом отсчёта.
Так как, наблюдая с Земли, мы видим небо в виде сферы, то координаты в астрономии тоже сферические. Кроме того, они представляют некие дуги кругов сферы. Стоит отметить, что исчисляются они в градусах, иногда в часах.

Горизонтальная система координат


В ней математический горизонт выступает главной плоскостью. А полюса составляют зенит и надир.
Горизонтальной системой координат пользуются для наблюдений с Земли. Это возможно и невооружённым глазом, и с помощью телескопа. Наблюдают за звёздами и перемещением объектов на небе. Разумеется, что в рамках Солнечной системы.

Горизонтальная система координат
Горизонтальная система координат

Разумеется, наблюдение и измерение происходит постоянно. Потому как движение небесных тел происходит непрерывно.

Некоторые определения в системе координат

Отвесная линия представляет собой прямую, проходящую через центр неба. К тому же она совпадает с течением нити отвеса относительно точки наблюдения. Для наблюдателя данная прямая вертикально пересекает центр планеты и место наблюдения.

Зенит и надир это две противоположности. Как известно, отвесная линия пересекается с небом над головой наблюдателя-это и есть зенит. Собственно, надир оказывается полярной по диаметру точкой.

Математический горизонт является огромным кругом небесной сферической поверхности. Его область перпендикулярна отвесной линии. Что важно, он делит всю поверхность неба пополам. Более того, эти части называют видимой и невидимой для наблюдателя. Первая имеет верхнюю точку в зените, а вторая в надире.


Математический горизонт, Зенит и надир, Отвесная линия
Математический горизонт, Зенит и надир, Отвесная линия

В то же время, математический горизонт никогда не соответствует видимому горизонту. Так как, во-первых, поверхность Земли неровная. Как следствие, высшая точка наблюдения разная. А во-вторых, по причине искривления лучей в атмосфере нашей планеты.

Горизонтальные координаты в астрономии составляют высота светила и зенитное расстояние. Помимо этого, есть ещё азимут.
Высота светила это дуга его вертикала от математического горизонта до направления на само светило. Границы высоты к зениту равны от 0° до +90°.и наоборот к надиру, то есть от 0° до — 90°.
Стоит отметить, что зенитное расстояние это дуга вертикала от зенита до светила. Кстати, рассчитывают зенитный отрезок от зенита к надиру в пределах от 0° до 180°.
Азимут, то есть дуга математического горизонта от южной точки до вертикали светила.
Притом азимут отсчитывают к западу от южной точки в пределах от 0° до 360°. А именно в сторону суточного вращения небесной сферы.

Азимут
Азимут

Первая экваториальная система координат


За плоскую область в этой системе берётся поверхность экватора неба, а точка отчёта — Q. Помимо того, координаты представляют склонение и часовой угол.
Что такое склонение вы можете узнать тут.
Часовым углом является дуга, которая расположена посередине небесного меридиана и кругом склонения. Граница его измерения от 0° до 360°.
Надо сказать, что применяется первая экваториальная система координат в связи с постоянным движением нашей планеты в течение суток. В связи с этим, местом отсчёта установили точку весеннего равноденствия. Так как она является постоянной относительно звёзд.

Часовой угол
Часовой угол

Вторая экваториальная система координат

Что интересно, главная плоскость и точка отчёта аналогичны предыдущей системе. Но её координатами выступают склонение и прямое восхождение.


r /> Подразумевается, что восхождение это дуга экватора неба, которая проходит от точки весеннего равноденствия до круга светила. Кроме того, измерение проходит в часовой мере. Однако, её отсчёт ведётся противоположно часовой стрелки.
Между тем, вторая система координат, характеризуется постоянными координатами звёзд. В противовес первой системе, движение Земли за сутки не влияет на них. Применяется она для определения перемещения небесных тел за год.

Вторая экваториальная система координат
Вторая экваториальная система координат

Важно понимать, что координаты могут быть всегда разными. Поэтому существует множество задач. Их решение возможно с применением, подходящей отдельной ситуации, системой. Вообще, для решения задач и определении координат, очень часто чередуют системы.
Создание систем координат позволило учёным составить карту звёздного неба. Кроме того, обрисовалась определённая структура небесной системы. Что, в значительной мере, способствовало развитию астрономии и астрологии. Помимо того, экваториальные системы координат применяются во многих областях научной деятельности.

Звёздное небо
Звёздное небо

Очевидно, что разработка и внедрение определённых систем, составляет основу исследования космического пространства. Мы стараемся максимально приблизиться к его пониманию. Конечно, множество уже применяемых приёмов, расчётов и методов способствует расширению нашего кругозора.


Источник: kosmosgid.ru

Люди в древности считали, что все звезды располагаются на небесной сфере, которая как единое целое вращается вокруг Земли. Уже более 2.000 лет тому назад астрономы стали применять способы, которые позволяли указать расположение любого светила на небесной сфере по отношению к другим космическим объектам или наземным ориентирам. Представлением о небесной сфере удобно пользоваться и теперь, хотя мы знаем, что этой сферы реально не существует.

Небесная сфера —  воображаемая шаровая поверхность произвольного радиуса, в центре которой находится глаз наблюдателя, и на которую мы проецируем положение небесных светил.

Понятием небесной сферы пользуются для угловых измерений на небе, для удобства рассуждений о простейших видимых небесных явлениях, для различных расчетов, например вычисления времени восхода и захода светил.

Построим небесную сферу и проведем из ее центра луч по направлению к звезде А.


Там, где этот луч пересечет поверхность сферы, поместим точку А1 изображающую эту звезду. Звезда В будет изображаться точкой В1. Повторив подобную операцию для всех наблюдаемых звезд, мы получим на поверхности сферы изображение звездного неба – звездный глобус. Ясно, что если наблюдатель находится в центре этой воображаемой сферы, то для него направление на сами звезды и на их изображения на сфере будут совпадать.

  • Что является центром небесной сферы? (Глаз наблюдателя)
  • Каков радиус небесной сферы? (Произвольный)
  • Чем отличаются небесные сферы двух соседей по парте? (Положением центра).

Для решения многих практических задач расстояния до небесных тел не играют роли, важно лишь их видимое расположение на небе. Угловые измерения не зависят от радиуса сферы. Поэтому, хотя в природе небесной сферы и не существует, но астрономы для изучения видимого расположение светил и явлений, которые можно наблюдать на небе в течении суток или многих месяцев, применяют понятие Небесная сфера. На такую сферу и проецируются звезды, Солнце, Луна, планеты и т.д, отвлекаясь от действительных расстояний до светил и рассматривая лишь угловые расстояние между ними. Расстояния между звездами на небесной сфере можно выражать только в угловой мере. Эти угловые расстояния измеряются величиной центрального угла между лучами, направленными на одну и другую звезду, или соответствующими им дугами на поверхности сферы.


Для приближенной оценки угловых расстояний на небе полезно запомнить такие данные: угловое расстояние между двумя крайними звездами ковша Большой Медведицы (α и β) составляет около 5°, а от α Большой Медведицы до α Малой Медведицы (Полярной звезды) – в 5 раз больше – примерно 25°.

Простейшие глазомерные оценки угловых расстояний можно провести также с помощью пальцев вытянутой руки.

Только два светила – Солнце и Луну – мы видим как диски. Угловые диаметры этих дисков почти одинаковы – около 30′ или 0,5°. Угловые размеры планет и звезд значительно меньше, поэтому мы их видим просто как светящиеся точки. Для невооруженного глаза объект не выглядит точкой в том случае, если его угловые размеры превышают 2–3′. Это означает, в частности, что наш глаз различает каждую по отдельности светящуюся точку (звезду) в том случае, если угловое расстояние между ними больше этой величины. Иначе говоря, мы видим объект не точечным лишь в том случае, если расстояние до него превышает его размеры не более чем в 1700 раз.

Отвесная линия Z,Z’, проходящая через глаз наблюдателя (точка С), находящегося в центре небесной сферы, пересекает небесную сферу в точках Z — зенит, Z’ — надир.

Зенит — эта наивысшая точка над головой наблюдателя.

Надир — противоположная зениту точка небесной сферы.

Плоскость, перпендикулярная отвесной линии, называется горизонтальной плоскостью (или плоскостью горизонта).


Математическим горизонтом называется линия пересечения небесной сферы с горизонтальной плоскостью, проходящей через центр небесной сферы.

Невооруженным глазом на всем небе можно видеть примерно 6000 звезд, но мы видим лишь половину из них, потому что другую половину звездного неба закрывает от нас Земля. Движутся ли звезды по небосводу? Оказывается, движутся все и притом одновременно. В этом легко убедиться, наблюдая звездное небо (ориентируясь по определенным предметам).

Вследствие ее вращения вид звездного неба меняется. Одни звезды только еще появляются из-за горизонта (восходят) в восточной его части, другие в это время находятся высоко над головой, а третьи уже скрываются за горизонтом в западной стороне (заходят). При этом нам кажется, что звездное небо вращается как единое целое. Теперь каждому хорошо известно, что вращение небосвода — явление кажущееся, вызванное вращением Земли.

Картину того, что в результате суточного вращения Земли происходит со звездным небом, позволяет запечатлеть фотоаппарат.

На полученном снимке каждая звезда оставила свой след в виде дуги окружности . Но есть и такая звезда, передвижение которой в течение всей ночи почти незаметно. Эту звезду назвали Полярной. Она в течение суток описывает окружность малого радиуса и всегда видна почти на одной и той же высоте над горизонтом в северной стороне неба.


щий центр всех концентрических следов звезд находится на небе неподалеку от Полярной звезды. Эта точка, в которую направлена ось вращения Земли, получила название северный полюс мира. Дуга, которую описала Полярная звезда, имеет наименьший радиус. Но и эта дуга, и все остальные — независимо от их радиуса и кривизны — составляют одну и ту же часть окружности. Если бы удалось сфотографировать пути звезд на небе за целые сутки, то на фотографии получились бы полные окружности — 360°. Ведь сутки — это период полного оборота Земли вокруг своей оси. За час Земля повернется на 1/24 часть окружности, т. е. на 15°. Следовательно, длина дуги, которую звезда опишет за это время, составит 15°, а за полчаса — 7,5°.

Звезды в течение суток описывают тем большие окружности, чем дальше от Полярной звезды они находятся.

 Ось суточного вращения небесной сферы называют осью мира (РР’).

Точки пересечения небесной сферы с осью мира называют полюсами мира (точка Рсеверный полюс мира, точка Р’ южный полюс мира).

Полярная звезда расположена вблизи северного полюса мира. Когда мы смотрим на Полярную звезду, точнее, на неподвижную точку рядом с ней — северный полюс мира, направление нашего взгляда совпадает с осью мира. Южный полюс мира находится в южном полушарии небесной сферы.

Плоскость ЕАWQ, перпендикулярная оси мира РР’ и проходящая через центр небесной сферы, называется плоскостью небесного экватора, а линия пересечения ее с небесной сферой — небесным экватором.


Небесный экватор – линия окружности, полученная от пересечения небесной сферы с плоскостью проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно к оси мира.

Небесный экватор делит небесную сферу на два полушария: северное и южное.

Ось мира, полюса мира и небесный экватор аналогичны оси, полюсам и экватору Земли, так как перечисленные названия связаны с видимым вращением небесной сферы, а оно является следствием действительного вращения земного шара.

 Плоскость, проходящая через точку зенита Z, центр С небесной сферы и полюс Р мира, называют плоскостью небесного меридиана, а линия пересечения ее с небесной сферой образует линию небесного меридиана.

Небесный меридиан – большой круг небесной сферы, проходящий через зенит Z, полюс мира Р, южный полюс мира Р’, надир Z’

В любом месте Земли плоскость небесного меридиана совпадает с плоскостью географического меридиана этого места.

Полуденная линия NS — это линия пересечения плоскостей меридиана и горизонта. N – точка севера, S – точка юга

Она названа так потому, что в полдень тени от вертикальных предметов падают по этому направлению.

  • Каков период вращения небесной сферы? (Равен периоду вращения Земли – 1 сутки).
  • В каком направлении происходит видимое (кажущееся) вращение небесной сферы? (Противоположно направлению вращения Земли).
  • Что можно сказать о взаимном расположении оси вращения небесной сферы и земной оси? (Ось небесной сферы и земная ось будут совпадать).
  • Все ли точки небесной сферы участвуют в видимом вращении небесной сферы? (Точки, лежащие на оси, покоятся).

Земля движется по орбите вокруг Солнца. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты на угол 66,5°. Вследствие действия сил тяготения со стороны Луны и Солнца ось вращения Земли смещается, в то время как наклон оси к плоскости земной орбиты остается постоянным. Ось Земли как бы скользит по поверхности конуса. (то же происходит с осью у обыкновенного волчка в конце вращения).

Это явление было открыто еще в 125 г. до н. э. греческим астрономом Гиппархом и названо прецессией.

Один оборот земная ось совершает за 25 776 лет – этот период называется платоническим годом. Сейчас вблизи Р – северного полюса мира находится Полярная звезда – α Малой Медведицы. Полярной называется та звезда, которая на сегодняшний день находится вблизи Северного полюса мира. В наше время, примерно с 1100 года, такой звездой является альфа Малой Медведицы – Киносура. Раньше титул Полярной поочередно присваивался π, η и τ Геркулеса, звездам Тубан и Кохаб. Римляне вовсе не имели Полярной звезды, а Кохаб и Киносуру (α Малой Медведицы) называли Стражами.

На начало нашего летоисчисление – полюс мира был вблизи α Дракона – 2000 лет назад. В 2100 г полюс мира будет всего в 28′ от Полярной звезды – сейчас в 44′. В 3200г полярным станет созвездие Цефей. В 14000 г – полярной будет Вега (α Лиры).




Как найти в небе Полярную звезду?

Чтобы найти Полярную звезду, нужно через звезды Большой Медведицы (первые 2 звезды «ковша») мысленно провести прямую линию и отсчитать по ней 5 расстояний между этими звездами. В этом месте рядом с прямой мы увидим звезду, почти одинаковую по яркости со звездами «ковша» – это и есть Полярная звезда.

В созвездии, которое нередко называют Малый Ковш, Полярная звезда является самой яркой. Но так же, как и большинство звезд ковша Большой Медведицы, Полярная — звезда второй величины.

А вот так выглядит звездное небо на 15 сентября, 21 час.

Летний (летне-осенний) треугольник = звезда Вега (α Лиры, 25,3 св. лет), звезда Денеб (α Лебедя, 3230 св. лет), звезда Альтаир (α Орла, 16,8 св. лет)



Небесные координаты

Чтобы отыскать на небе светило, надо указать, в какой стороне горизонта и как высоко над ним оно находится. С этой целью используется система горизонтальных координат азимут и высота. Для наблюдателя, находящегося в любой точке Земли, нетрудно определить вертикальное и горизонтальное направления.

Первое из них определяется с помощью отвеса и изображается на чертеже отвесной линией ZZ’, проходящей через центр сферы (точку О).

Точка Z, расположенная прямо над головой наблюдателя, называется зенитом.

Плоскость, которая проходит через центр сферы перпендикулярно отвесной линии, образует при пересечении со сферой окружность – истинный, или математический, горизонт.

Высота светила отсчитывается по окружности, проходящей через зенит и светило, и выражается длиной дуги этой окружности от горизонта до светила. Эту дугу и соответствующий ей угол принято обозначать буквой h.

Высота светила, которое находится в зените, равна 90°, на горизонте – 0°.

Положение светила относительно сторон горизонта указывает его вторая координата – азимут, обозначаемый буквой А. Азимут отсчитывается от точки юга в направлении движения часовой стрелки, так что азимут точки юга равен 0°, точки запада – 90° и т. д.

Горизонтальные координаты светил непрерывно меняются с течением времени и зависят от положения наблюдателя на Земле, потому что по отношению к мировому пространству плоскость горизонта в данном пункте Земли вращается вместе с ней.

Горизонтальные координаты светил измеряют для определения времени или географических координат различных пунктов на Земле. На практике, например в геодезии, высоту и азимут измеряют специальными угломерными оптическими приборами – теодолитами.

Чтобы создать звездную карту, изображающую созвездия на плоскости, надо знать координаты звезд. Для этого нужно выбрать такую систему координат, которая вращалась бы вместе со звездным небом. Для указания положения светил на небе используют систему координат, аналогичную той, которая используется в географии, систему экваториальных координат.

Система экваториальных координат сходна с системой географических координат на земном шаре. Как известно, положение любого пункта на земном шаре можно указать с помощью географических координат — широты и долготы.

Географическая широтаэто угловое расстояние пункта от земного экватора. Географическая широта (φ) отсчитывается по меридианам от экватора к полюсам Земли.

Долгота — угол между плоскостью меридиана данного пункта и плоскостью начального меридиана. Географическая долгота (λ) отсчитывается вдоль экватора от начального (Гринвичского) меридиана.

Так, например, Москва имеет следующие координаты: 37°30′ восточной долготы и 55°45′ северной широты.

Введем систему экваториальных координат, которая указывает положение светил на небесной сфере относительно друг друга.

Проведем через центр небесной сферы линию, параллельную оси вращения Земли, — ось мира. Она пересечет небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках, которые называются полюсами мира Р и Р΄. Северным полюсом мира называют тот, вблизи которого находится Полярная звезда. Плоскость, проходящая через центр сферы параллельно плоскости экватора Земли, в сечении со сферой образует окружность, называемую небесным экватором. Небесный экватор (подобно земному) делит небесную сферу на два полушария: Северное и Южное. Угловое расстояние светила от небесного экватора называется склонением. Склонение отсчитывается по кругу, проведенному через светило и полюса мира, оно аналогично географической широте.

Склонение  — угловое расстояние светил от небесного экватора. Склонение обозначают буквой δ. В северном полушарии склонения считают положительными, в южном — отрицательными.

Вторая координата, которая указывает положение светила на небе, аналогична географической долготе. Эта координата называется прямым восхождением. Прямое восхождение отсчитывается по небесному экватору от точки весеннего равноденствия γ, в которой Солнце ежегодно бывает 21 марта (в день весеннего равноденствия). Оно отсчитывается от точки весеннего равноденствия γ против часовой стрелки, т. е. навстречу суточному вращению неба. Поэтому светила восходят (и заходят) в порядке возрастания их прямого восхождения.

Прямое восхождениеугол между плоскостью полукруга, проведенного из полюса мира через светило (круга склонения), и плоскостью полукруга, проведенного из полюса мира через лежащую на экваторе точку весеннего равноденствия (начального круга склонений). Прямое восхождение обозначается буквой α

Склонение и прямое восхождение (δ, α) называют экваториальными координатами.

Склонение и прямое восхождение удобно выражать не в градусах, а в единицах времени. Учитывая, что Земля делает один оборот за 24 ч, получаем:

360° — 24 ч,  1 ° — 4 мин;    

15° — 1 ч,  15′ —1 мин,  15″ — 1 с.

Следовательно, прямое восхождение, равное, например, 12 ч, составляет 180°, а 7 ч 40 мин соответствует 115°.

Если не нужна особая точность, то небесные координаты для звезд можно считать неизменными. При суточном вращении звездного неба вращается и точка весеннего равноденствия. Поэтому положения звезд относительно экватора и точки весеннего равноденствия не зависят ни от времени суток, ни от положения наблюдателя на Земле.

Экваториальная система координат изображена на подвижной карте звездного неба.

Источник: www.sites.google.com

Два горизонта

Понятие космологического горизонта ввели в науку вначале 1950-х годов в связи с разработкой теории горячей Вселенной. А в 1956 году крупный специалист по ОТО Вольфганг Риндлер из Корнеллского университета уточнил и расширил эту концепцию в статье «Visual horizons in world-models». Риндлер предложил по‑разному рассматривать космические объекты длительного существования, такие как звезды и галактики с их протяженными мировыми линиями (кривыми в пространстве-времени, описывающими движение тела), и кратковременные эффекты, такие, например, как взрывы сверхновых, которым соответствуют небольшие фрагменты таких линий, а в пределе — просто точки. Корректно описать наблюдаемость объектов обоих типов можно лишь при помощи различных горизонтов.

Границу между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми мировыми линиями Риндлер назвал горизонтом частиц, а аналогичную границу между точками этих линий — горизонтом событий.

Согласно стандартной космологической модели, мы живем в однородной изотропной Вселенной. Отсюда следует, что горизонт частиц представляет собой сферическую поверхность, в центре которой находится наблюдатель. Внутренность сферы заполнена долгоживущими космическими объектами (скажем, галактиками), чей испущенный в прошлом свет приходит к наблюдателю. С внешней стороны этой сферы находятся галактики, которые наблюдатель не может видеть ни на каких этапах их истории, предшествовавших моменту наблюдения. Таким образом, горизонт частиц отсекает наблюдаемую зону Вселенной от ненаблюдаемой, то есть по своей сути не слишком отличается от географического горизонта.

А вот горизонт событий не столь нагляден: он разделяет события, которые наблюдатель может увидеть в тот или иной момент времени в своем собственном будущем, от событий, увидеть которые ему никогда не дано. В некоторых космологических моделях присутствуют оба горизонта, в некоторых — только один из них, а в некоторых горизонтов нет вовсе.

Статичный мир

Для простоты рассмотрим горизонты безграничной статичной вселенной. В ньютоновском мире с бесконечной скоростью света (и, как следствие, абсолютным временем), который не имеет ни начала, ни конца во времени, то есть существует вечно, наблюдатель, где бы он ни находился, всегда может видеть все светила без единого исключения. Поэтому в таком мире нет ни горизонта частиц, ни горизонта событий (собственно говоря, там нет и самих событий!) — он дважды безгоризонтен.

Теперь допустим, что в галактиках иногда взрываются сверхновые. Если скорость света бесконечна, эти вспышки мгновенно достигают наблюдателя, так что двойная безгоризонтность по‑прежнему имеет место. Однако она сохраняется и при конечной скорости света!

В самом деле, допустим, что какая-то галактика на короткое время увеличила блеск из-за взрыва сверхновой. В вечной и статичной вселенной свет этой вспышки рано или поздно придет к любому наблюдателю. Отсюда следует, что в этом мире нет сигналов, которые наблюдатель никогда не сможет увидеть, и, следовательно, нет горизонта событий (разумеется, там по‑прежнему нет и горизонта частиц).

Далее рассмотрим гипотетическую статичную вселенную с началом во времени. В таком мире горизонт частиц представляет собой сферу, расширяющуюся со скоростью света. Если через 5 млрд лет после сотворения этого мира в какой-нибудь из галактик появится наблюдатель, его горизонт частиц окажется сферой радиусом в 5 млрд световых лет. Еще через миллиард лет радиус составит 6млрд световых лет, через 2 млрд — 7 млрд. Этот мир остается неизменным, но его наблюдаемая часть постоянно расширяется.

И наконец, предположим, что наша воображаемая статичная вселенная не имеет начала, но имеет конец, где обрываются все мировые линии, в том числе и линия наблюдателя. Он по-прежнему видит все галактики, так что горизонт частиц в этом мире отсутствует. Однако наблюдатель теперь уже может заметить только часть изменений в свечении этих галактик. Он увидит вспышку сверхновой, взорвавшейся в галактике, отдаленной от него на 10 млн световых лет, если взрыв случился за 11 млн лет до конца света. Но если сверхновая вспыхнула за 9 млн лет до этого печального финала, наблюдатель даже в последний момент своего существования о ней не узнает — просто не успеет. Следовательно, в таком мире имеется горизонт событий.

Как ни примитивна модель статичной вселенной, она позволяет уяснить ключевые черты обоих горизонтов. За пределами горизонта частиц лежат мировые линии, которые в данный момент не могут наблюдаться ни в одном из своих предшествующих фрагментов. А вне горизонта событий пребывают события, которые наблюдатель не способен узреть за все время своего существования.

Ближе к реальности

Наша Вселенная, как известно, отнюдь не статична — она расширяется, причем в течение последних пяти-шести миллиардов лет даже с ускорением (считается, что оно порождено ненулевой энергией физического вакуума, получившей не особенно удачное, но эффектное название — темная энергия). При этом она обладает плоской геометрией, поскольку полная плотность ее энергии равна критическому значению, при котором кривизна космического пространства зануляется. Если бы это равенство имело место в отсутствие темной энергии, прошлая, нынешняя и последующая динамика Вселенной (за исключением ее самого раннего этапа) соответствовали бы модели Эйнштейна — де Ситтера («ПМ» № 6’2012).

Согласно закону Хаббла, радиальные скорости далеких галактик пропорциональны расстоянию до них с коэффициентом, который называется параметром Хаббла H (он зависит от возраста Вселенной и в настоящую эпоху обозначается H0). Поэтому на некоторой дистанции, равной c/H, скорость галактического разбегания становится равной скорости света. Такое расстояние называют дистанцией Хаббла (или радиусом хаббловской сферы), и в нашу эпоху оно приблизительно равно 14 млрд световых лет. Относительно центра сферы скорость расширения пространства внутри нее меньше световой, а вне ее — больше.

Очень важно, что радиус сферы Хаббла в общем случае вовсе не равен радиусу наблюдаемой части мироздания, который, по определению, есть радиус горизонта частиц. Это наглядно представлено в приведенном выше примере статичной вселенной с одновременно вспыхнувшими галактиками. Поскольку там параметр Хаббла равен нулю, хаббловский радиус бесконечен. А вот радиус горизонта частиц пропорционален возрасту Вселенной и при любых конечных сроках ее жизни тоже конечен.

Рассмотрим вспышки сверхновых, одновременно взорвавшихся в двух разных галактиках. Пусть одна из галактик расположена внутри сферы Хаббла наблюдателя, а вторая — вне ее. Наблюдатель увидит первую вспышку и не увидит второй, поскольку расширяющееся пространство «уносит» с собой ее фотоны со скоростью больше световой. На самой сфере Хаббла световые кванты как бы вморожены в пространство, которое расширяется там со световой скоростью, и поэтому она становится еще одним горизонтом — горизонтом фотонов.

Если расширение вселенной замедляется, то радиус сферы Хаббла возрастает, поскольку он обратно пропорционален уменьшающемуся хаббловскому параметру. В таком случае по мере старения вселенной эта сфера охватывает все новые и новые области пространства и впускает все новые и новые световые кванты. С течением времени наблюдатель увидит галактики и внутригалактические события, которые ранее находились вне его фотонного горизонта. Если же расширение вселенной ускоряется, то радиус хаббловской сферы, напротив, сокращается.

Конкретная скорость расширения сферы Хаббла зависит от деталей эволюции вселенной. Например, в мире Эйнштейна — де Ситтера она равна полутора световым скоростям. Поскольку пространство на хаббловской сфере раздувается со световой скоростью, разница между темпами расширения фотонного горизонта и расширения пространства равна половине скорости света. В то же время горизонт частиц во вселенной Эйнштейна — де Ситтера расширяется вдвое быстрее фотонного горизонта (следовательно, со скоростью, равной трем световым).

С глаз долой

Из-за конечности скорости света наблюдатель видит небесные объекты такими, какими они были в более или менее отдаленном прошлом. За пределами горизонта частиц лежат галактики, которые в данный момент не наблюдаются ни на едином этапе их предшествующей эволюции. Это означает, что их мировые линии в пространстве-времени нигде не пересекают поверхность, по которой распространяется свет, приходящий к наблюдателю с момента рождения Вселенной (она называется ретроградным световым конусом). Внутри горизонта частиц расположены галактики, чьи мировые линии в прошлом пересеклись с этой поверхностью. Именно эти галактики и составляют часть Вселенной, в принципе доступную наблюдению в данный момент времени.

Ретроградный световой конус любого наблюдателя во Вселенной, расширяющейся после Большого взрыва, сходится на этой начальной сингулярности и охватывает конечный объем. Отсюда еще раз следует, что наблюдатель может видеть лишь конечную часть своего мира.

Таким образом, нам не дано знать, какова Вселенная за пределами нынешнего горизонта частиц. Некоторые теории ранней Вселенной утверждают, что очень далеко за этим горизонтом она совсем не похожа на то, что мы видим. Этот тезис вполне научен, поскольку он вытекает из вполне разумных вычислений, однако его нельзя ни опровергнуть, ни подтвердить с помощью астрономических наблюдений, доступных в наше время. Более того, если пространство и дальше будет расширяться с ускорением, его нельзя будет проверить и в сколь угодно отдаленном будущем.

В статичной вселенной с фиксированным началом радиус горизонта частиц равен произведению ее возраста на скорость света. В нашей Вселенной он гораздо больше, поскольку расширяющееся пространство увлекает за собой световые кванты. Для определения этого радиуса требуется знание всей динамики Вселенной, в том числе и в фазе инфляции, которым наука пока не располагает. По современным данным, масштабный фактор Вселенной в ходе инфляции увеличился как минимум в 1027 раз, но эта оценка может быть сильно занижена (стандартная космологическая модель вообще не описывает фазу инфляции и отсчитывает возраст Вселенной от ее завершения).

В мире Эйнштейна — де Ситтера радиус горизонта частиц равен удвоенному радиусу хаббловской сферы, который, в свою очередь, в полтора раза превышает произведение возраста этого мира и скорости света. Легко посчитать, что в соответствии с этой моделью нынешний радиус горизонта частиц (и, следовательно, радиус наблюдаемой с Земли области космоса) составляет около 41 млрд световых лет, или 13 гигапарсек. Поскольку Вселенная в эпоху доминирования темной энергии вышла на ускоренное расширение, радиус ее горизонта частиц должен оказаться несколько больше. Впрочем, учет темной энергии дает довольно близкое значение — 14 гигаперсек.

Стоит напомнить, что наши телескопы не могут заглянуть в эпоху, когда космическое пространство было заполнено плазмой и не содержало свободных фотонов. Она завершилась через 380 000 лет после Большого взрыва. Вселенная тогда эволюционировала практически точно по модели Эйнштейна — де Ситтера и продолжала это делать еще не менее 8 млрд лет. Позднее темная энергия внесла свои поправки, но пока что они увеличили горизонт событий не слишком сильно.

Если нынешняя плотность темной энергии в будущем не изменится, эволюция Вселенной постепенно начнет все больше и больше соответствовать модели де Ситтера. В таком случае радиус горизонта событий с течением времени будет стремиться к предельному постоянному значению. В очень далеком будущем все источники света, расположенные вне гравитационно связанной Местной группы галактик (к которой принадлежит и наш Млечный Путь), окажутся за пределами этого горизонта и навсегда станут невидимыми.

Источник: www.PopMech.ru

Каждому известно, что линия горизонта визуально разделяет небесный свод с поверхностью Земли. Горизонт мы видим сферической линией, однако в науке её считают абсолютно прямой. Горизонтальная линия всегда располагается на уровне ваших глаз. Неважно, где и в каком положении вы находитесь, горизонт будет проходить точно перед глазами.

Горизонт не принадлежит к физическим объектам. Линию невозможно достичь и прикоснуться к ней, поскольку она существует только в воображении. Это воображаемая линия, потому её местонахождение полностью зависит от расположения зрителя. Лучше всего горизонт виден на море или в океане. Там он будет границей между небом и водной стихией.

Понятие горизонтальной линии используется географами, астрономами, архитекторами, художниками, дизайнерами и многими другими деятелями. Существуют два понятия горизонта: истинный и видимый. Видимый отдаляется от нас по мере того, как мы поднимаемся над поверхностью. Чем мы выше, тем дальше горизонт. Поднимаясь на высоту, мы пытаемся заглянуть за линию, а она неудержимо убегает.

Истинный горизонт представляет собой воображаемый круг, который располагается на небесной сфере. Чтобы понять, что такое истинный горизонт, расположите перед глазами сосуд с водой. Сосуд должен быть прозрачным, а вода налита наполовину. Теперь поверните его, чтобы вся поверхность жидкости слилась в одну черту. Эта черта и есть истинный горизонт. Он необходим при точном определении месторасположения различных объектов в географии, астрономии и других сферах.

Иногда, сам того не замечая, человек часто ориентируется на линию горизонта. Зрительное восприятие очень связано с этой чертой. Потому её местонахождение всегда учитывают при создании всевозможных изображений. Горизонтальная линия делает его естественным и удобным для созерцания. Любая объёмная проекция начинается с нахождения точки слияния всех линий, идущих к горизонту от наблюдателя.

Художник, рисующий пейзаж, сначала размышляет, где будет находиться горизонтальная черта на картине. В результате этого у полотна будет определённый образ. Если нарисовать горизонт внизу, то наблюдателю будет казаться, что на сюжет картины он смотрит сверху. В пейзаже это придаст ощущение свободы и безмерного простора.

Если линия находится в центре, то зритель будет как бы втянут внутрь картины, при этом создается иллюзия присутствия в сюжете. Если горизонт расположен сверху, то зритель станет всматриваться в передний план, на котором объекты видны достаточно широко, не перегораживая друг друга. Таким образом, чтобы картина была выразительна и приятна для созерцания, следует правильно подойти к выбору линии горизонта.

Больше познаваемого читайте на нашем сайте: poznavaemoe.ru

Источник: zen.yandex.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.