Звездное пространство


Изучаем пустоту: межпланетное, межзвездное и межгалактическое пространства

Ученые не стремятся к простоте, поэтому даже космическое пространство охватывает не единое понятие, а делится на несколько категорий. Да и не стоит думать, что речь идет о пустоте, ведь даже в этих просторах существуют космические объекты. Давайте познакомимся с этой темой поближе.

Космическое пространство и его виды

Мы примерно понимаем, что такое Вселенная, но часто неправильно используем понятия. Например, космосом мы называем все, что видим за пределами Земли. Но будет точнее сказать, что космическое пространство – относительно «пустые» вселенские территории, которые находятся за пределами атмосферной черты небесных объектов.

Мы взяли слово «пустые» в кавычки, потому что на таких территориях можно найти небольшие объемы кислорода, межзвездного вещества, космические и электромагнитные лучи, а также пока не обнаруженную темную материю. Можно выделить три вида пространства: межпланетное, межзвездное и межгалактическое.

  1. Межпланетное пространство


Все верно, это космическое пространство между планетами. Если точнее, то мы сталкиваемся с «пустотой», которая ограничивается орбитальным путем самой удаленной планеты от звезды. В нем находятся различные газовые компоненты, плазма, пыль, электромагнитные солнечные лучи и излучения других небесных тел.

Если брать нашу систему, то рассматриваем околосолнечное межпланетное пространство. Ранее границей служила орбита Плутона, но в 2006 году этот объект перенесли в разряды карликовых планет. Поэтому теперь учитываем восьмую планету – Нептун.

  1. Межзвездное пространство

Что такое абсолютный космос?

Звезды ютятся в галактиках и между ними также наблюдаются огромные пустые участки или межзвездная среда. На таких территориях наблюдаются пыль, газ, электромагнитные поля, космические излучения и темная материя (пока не найдена).


Межзвездная среда постоянно получает различные продукты ядерного синтеза, так как на финальном этапе жизни звезда сбрасывает внешнюю оболочку со всеми элементами. Впервые сам термин в 1626 году использовал философ и историк Фрэнсис Бэкон.

Межзвездное пространство лишено однородности, так как удается встретить различные туманности, глобулы и масштабные молекулярные облака. Сама межзвездная среда характеризуется невысокой плотностью и оптической тонкостью.

  1. Межгалактическое пространство

Звездное пространство

Наши любимые галактики должны где-то существовать, поэтому между ними также есть космические участки. Это интересный тип пространства, потому что практически лишен материи. То есть, по составу нам почти удается наблюдать абсолютный вакуум. Можно встретить лишь невероятно разреженный ионизированный газ.

Здесь присутствуют высокие температуры – десятки миллионов градусов. В качестве причины нагрева называют электромагнитные лучи черных дыр, звездный ветер, взрывы сверхновых. Также встречается межгалактическая пыль, о которой узнали только в 1949 году.

Постскриптум


Как видите, даже мнимая пустота космического пространства заслуживает огромного внимания ученых, а что говорить об остальной части бесконечной Вселенной с ее удивительными объектами.

Источник: v-kosmose.com

За всю историю человечества еще ни один его представитель не покинул сферу притяжения родной планеты (и даже лунные экспедиции на самом деле не выходили за ее пределы). Причина этого — не только отсутствие технологий перемещения больших масс на межпланетные расстояния за разумное время, но и неприспособленность человеческого тела к условиям дальнего космоса с преобладающими в нем опасными излучениями, космическим вакуумом и прочими неблагоприятными факторами.

Звездное пространство


Пути решения этих проблем можно разделить на две группы: конструирование космических кораблей, условия в которых должны быть максимально приближены к земным (защищенная искусственная биосфера), и приспосабливание человека к новой враждебной среде, вплоть до существенной «реконструкции» самой человеческой природы. Не снят с повестки дня и вопрос, а нужно ли вообще людям «лично» исследовать дальний космос — возможно, туда было бы оптимальнее посылать электронные «органы чувств» или даже полностью возложить задачу космических исследований на роботов с продвинутым искусственным интеллектом.

Все эти вопросы активно обсуждаются на семинарах, регулярно проводимых в Институте космических исследований Кека (Keck Institute for Space Studies). В них участвуют специалисты в самых разных отраслях науки — физики, астрономы, биологи, социологи…

На одном из семинаров, проходившем под руководством профессора Калифорнийского технологического института Эдварда Стоуна (Edward Stone, California Institute of Technology), инженера Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене доктора Леона Алкалаи (Leon Alkalai, JPL, Pasadena, California) и сооснователя Планетного общества Луиса Фридмана (Louis Friedman, The Planetary Society), Леон Алкалаи прочел доклад под названием «Наука и технологии, обеспечивающие исследование межзвездной среды» (Science and Enabling Technologies for the Exploration of the Interstellar Medium), в котором подводились промежуточные итоги работ в данном направлении и очерчивались их перспективы.


Начало пути

В 2012 г. произошло знаменательное событие в истории развития земной цивилизации: созданный людьми космический аппарат Voyager 1 покинул солнечный «магнитный пузырь» и вышел на межзвездные просторы. Вскоре это сделает и его «близнец» Voyager 2. Зонд New Horizons, детально исследовав с пролетной траектории карликовую планету Плутон, продолжает изучать области, населенные холодными ледяными телами на окраинах Солнечной системы, а далее последует за своими собратьями.

На Земле и околоземных орбитах продолжается работа над поисками и реализацией методов, которые помогут нам преодолевать большие космические расстояния. Торжественная дегустация астронавтами салата-латука, выращенного на Международной космической станции, возможно, является первым историческим опытом проведения банкетов на борту пилотируемых аппаратов, бороздящих просторы Солнечной системы или направляющихся в глубокий космос.

На данный момент отправка людей к другим звездам остается прерогативой научной фантастики — как в фильме «Пассажиры» (Passengers), когда пребывающие в анабиозе межзвездные путешественники пробуждаются к концу полета. NASA пока не организует новых миссий за пределы гелиосферы, но в тоже время ученые и инженеры продолжают усиленные поиски технологий, которые могли бы однажды помочь землянам оказаться там.

Анонсированная NASA программа «Путешествие на Марс» (Journey to Mars) — это, прежде всего, план роботизированных миссий, целью которых является подготовка экспедиции людей на Красную планету.
лотируемый полет на Марс станет первым шагом на пути осуществления более грандиозного замысла — выхода человека за пределы Солнечной системы. Практика межпланетных полетов позволит накопить опыт для выработки общих подходов и решения сложнейших технических задач, которые, несомненно, возникнут на первых этапах реализации этого масштабного проекта и в более отдаленном будущем.

«Силовые установки, энергетика, жизнеобеспечение, производство, связь, навигация, робототехника… проект Journey to Mars предполагает прогресс в каждой из этих областей, — прокомментировал это эпохальное предприятие ведущий инженер директората космических технологий NASA в Вашингтоне Джеффри Шии (Jeffrey Sheehy). — Возможностей этих систем пока будет недостаточно, чтобы осуществить межзвездную миссию. Но Марс вынуждает нас идти дальше и дальше в Космос. Это шаг по пути к звездам».

Контуры неизвестного

Возвращаясь к фильму «Пассажиры» и рассматривая его применительно к полету до ближайшей к Солнцу звезды Проксимы Центавра, следует сказать, что это путешествие потребует преодоления беспрецедентно больших расстояний. При этом придется использовать по-настоящему экзотические технологии — такие, как анабиоз или жизнеобеспечение нескольких поколений. В настоящее время подобные проекты представляются неосуществимыми.

Сейчас перед учеными стоит задача детального исследования переходной зоны между Солнечной системой и межзвездной средой, переполненной высокоэнергетическим излучением, потоками заряженных частиц солнечного ветра и космическими лучами, а для этого необходимо запустить по возможности больше разведывательных аппаратов в эти пока еще «неизведанные дали».


В рамках концепции Design Reference Mission должны быть сформулированы основные технические требования к проекту межзвездного зонда. В соответствии с этим концептуальным сценарием в конце 2020-х годов будет запущен автоматический разведчик, который благодаря точно рассчитанным маневрам в гравитационных полях Земли, Юпитера и Солнца сможет достичь границы «сферы влияния» нашего светила всего за 10 лет (для сравнения: космическому аппарату Voyager 1 потребовалось 36 лет, чтобы, ускорившись в ходе гравиманевров вблизи Юпитера и Сатурна, пересечь гелиосферу, гелиопаузу и выйти на границу межзвезднго пространства). Для обеспечения электропитания бортовой аппаратуры предполагается использовать радиоизотопные термоэлектрические генераторы нового поколения, представляющие собой более эффективные версии устройства, установленного на борту марсохода Curiosity. Зонд оснастят десятками различных сенсоров и приборов для исследования межзвездной среды в пограничной зоне Солнечной системы, а, возможно — еще и для изучения одного из объектов Пояса Койпера при тесном сближении.

В рамках дальнейших исследований будет рассмотрена возможность использования для ускорения зонда электрореактивных двигательных установок, а также солнечных или электрических парусов.


Гравитационный «соларскоп»

Существует еще один экзотический проект, не относящийся напрямую к межзвездным полетам, но требующий для своей реализации отправки космического аппарата за пределы Солнечной системы.

Многие читатели, вероятно, знают, что в начале прошлого столетия были предприняты эксперименты, позволяющие доказать правильность теории Эйнштейна. Во время солнечного затмения 29 мая 1919 г., когда диск нашего светила полностью закрыла Луна, астрономы убедились, что лучи далеких звезд, проходящие вблизи Солнца, отклоняются его гравитацией. Подобный эффект используется для наблюдений очень удаленных галактик, свет от которых по пути к земному наблюдателю проходит через гравитационные поля более близких массивных галактических скоплений. При этом усиленные гравитационным линзированием изображения удаленных объектов могут дробиться, вытягиваться в дуги, а если искажение пространства однородно (вызвано компактным сверхмассивным объектом) — наблюдается так называемое «кольцо Эйнштейна».

Из этого следует, что на определенном расстоянии от Солнца его гравитация способна фокусировать изображения более далеких объектов. «Фокусное расстояние» гравитационной линзы, создаваемой нашей звездой, равно примерно 550 а.е. Если на таком расстоянии будет размещен космический аппарат, он сможет принять эти увеличенные изображения, а если на оптической оси этого гигантского телескопа окажется экзопланета, у нас появится возможность рассмотреть детали на ее поверхности. Современные наземные и космические обсерватории такой возможности не дают — для них все экзопланеты занимают один пиксель светочувствительной матрицы.


Изображения, получаемые гравитационным телескопом, будут представлять собой «кольца Эйнштейна». Для восстановления истинной картины потребуется трудоемкая компьютерная обработка. При этом детализация итогового изображения окажется такой, что мы сможем различить особенности рельефа или облачного покрова планет иных звезд примерно так же, как на знаменитой фотографии Земли, сделанной астронавтами Apollo 8 с окололунной орбиты в конце 1968 г.

Очевидно, что космический аппарат, играющий роль приемника излучения «сверхтелескопа», может наблюдать с большим увеличением только те объекты, которые находятся с его точки зрения прямо за солнечным диском (который с такого расстояния будет выглядеть просто очень яркой точкой, но ее все равно нужно будет экранировать). Поэтому наведение такого инструмента на желаемый объект связано с немалыми трудностями: для этого нужно перемещать «окуляр» (зонд-приемник) вокруг Солнца по сфере радиусом 550 а.е., что потребует огромных затрат времени и топлива бортовых двигателей.

Двигаясь к звездам…

После того, как мы подготовимся сделать гигантский шаг к другой звезде, на первое место выйдет проблема преодоления огромных космических расстояний. Транспортировка громоздких топливных баков может увеличить массу межзвездного корабля до пределов, выходящих далеко за рамки технико-экономических возможностей человечества.


Вообще реализация межзвездных перелетов за время, соизмеримое с продолжительностью человеческой жизни, требует достижения скоростей порядка одной десятой скорости света. А это принципиально невозможно с использованием химических ракетных двигателей, на которых основана современная космонавтика.

Пока реально существует только одна технология, позволяющая в обозримом будущем отправить автоматические зонды к ближайшим звездам. Она основана на эффекте светового давления. Мощный массив лазеров, установленных на поверхности Земли либо на околоземной орбите, может быть использован для ускорения космических аппаратов, оснащенных «световыми парусами», до скоростей, составляющих десятки процентов скорости света.

Если земляне когда-нибудь пустятся в космические путешествия, длящиеся многие десятилетия или даже столетия, возможно, потребуется проведение каких-то медицинских процедур, касающихся отдельных органов или всего организма, которые помогут поддерживать жизнь человека в течение нескольких поколений. Может быть, участники межзвездных перелетов даже внешне будут отличаться от нас… а цели достигнут, скорее всего, их дети или внуки. Но, тем не менее, на протяжении всего времени полета они должны чем-то питаться!

Выращивать в космосе растения мы уже почти научились, однако этот процесс требует наличия большого герметичного пространства на космическом корабле. Значительно более перспективное направление — создание 3D-принтеров, способных «печатать» трехмерные объекты слой за слоем, в том числе и продукты питания из отдельно выращенных клеток. Но в любом случае потребуется создание несуществующих пока технологий — в том числе систем жизнеобеспечения, включающих в себя полную переработку абсолютно всех отходов жизнедеятельности для получения и дальнейшего повторного использования кислорода, питьевой воды и питательных веществ.

Поэтому Леон Алкалаи, основываясь на результатах труда многих ученых, пока считает пилотируемый полет к иным звездам чрезвычайно отдаленной перспективой. Отправка людей за пределы Солнечной системы в наши дни весьма далека от практической реализации. В наиболее научно обоснованном фантастическом сюжете речь может идти не о строительстве Star Trek Enterprise, а о том, как освоить и «оборудовать» астероид для межзвездных перелетов.

Тем не менее, серьезные проблемы, возникающие при посылке автоматических зондов к звездам, должны быть мотивирующими для человечества, а вовсе не обескураживающими. Алкалаи считает, что всегда и везде мы должны оставаться людьми и постоянно чему-то учиться, даже если это лишь мимолетный эпизод с преодолением очередного горного хребта. Мы всегда находим то, что может нас удивить.

Источник: mir-znaniy.com

Во вселенской черноте, в миллиардах километров от дома корабль НАСА «Вояджер-2» открыл в ноябре 2018 года новую страницу в истории космонавтики, став вторым космическим аппаратом, вышедшим в межзвездное пространство. Сегодня, за день до годовщины этой вехи, ученые рассказали, что увидел «Вояджер-2» за этим порогом, дав человечеству надежду разгадать некоторые из тайн Солнечной системы.

Пять исследований, опубликованных сегодня в журнале «Нейчер астрономи» (Nature Astronomy), рассказывают, как космический корабль впервые взял пробу электрически заряженной дымки или плазмы, наполняющей межзвездное пространство и отдаленные уголки Солнечной системы. Это еще одно достижение «Вояджера-2», который, стартовав в 1977 году, совершил единственный в истории облет ледяных гигантов Урана и Нептуна.

Путешествие «Вояджера-2» в межзвездное пространство — логическое продолжение миссии «Вояджера-1», совершившего это достижение в 2012 году. Данные с обоих кораблей имеют немало общего, включая одинаковую плотность частиц, с чем они столкнулись в межзвездном пространстве. Но как ни поразительно, корабли-близнецы обнаружили и ряд ключевых различий, — ставя новые вопросы о движении Солнца через галактику.

«Это по-настоящему выдающийся полет», — заявил на прошлой неделе физик из Калифорнийского технологического института Эд Стоун (Ed Stone), участник проекта «Вояджер».

«Просто поразительно, что человечество вышло в межзвездное пространство, — добавляет физик Джейми Ранкин (Jamie Rankin), научный сотрудник Принстонского университета. Собственно в исследованиях она не участвовала. — Впервые мы попали туда после выхода „Вояджера-1″, но полет „Вояджера-2″ даже интереснее, потому что теперь мы можем сравнить разные места межзвездного пространства».

Внутри пузыря

Чтобы разобраться в последних открытиях «Вояджера-2», нелишне будет вспомнить, что Солнце — отнюдь не тихо светящийся шар. Наша главная звезда — это пышущая жаром ядерная печь, которая несется вокруг центра галактики со скоростью около 725 тысяч километров в час.

Кроме того, Солнце пронизано скрученными и переплетенными магнитными полями, в результате чего его поверхность постоянно излучает поток электрически заряженных частиц, называемых солнечным ветром. Эти порывы устремляются во все стороны, разнося магнитное поле солнца. В конце концов солнечный ветер врезается в межзвездную среду — обломки древних звездных взрывов между звездами.

Cолнечный ветер и межзвездная среда как масло с водой: идеального смешивания не получается, и внутри межзвездного пространства образуется пузырь под названием гелиосфера. По данным «Вояджера», он простирается почти на 18 миллиардов километров от Солнца и, помимо светила, включает в себя все восемь планет и большую часть внешних тел, вращающихся вокруг него. И это очень удобно: защитная гелиосфера экранирует все внутри, — включая нашу хрупкую ДНК, — от излучения высочайшей в галактики энергии.

Внешний край гелиосферы, гелиопауза, — это уже начало межзвездного пространства. Осознание этого порога принципиально важно для понимания движения Солнца по галактике. Кроме того, так мы можем узнать больше и о других звездах, рассеянных по космосу.

«Мы пытаемся разобраться в природе той границы, где сталкиваются и смешиваются два ветра, — сказал Стоун на брифинге. — Как именно они смешиваются и сколько всего „проливается» изнутри наружу и снаружи пузыря внутрь?»

Ученые впервые увидели гелиопаузу 25 августа 2012 года, когда в межзвездное пространство вошел «Вояджер-1». От увиденного у них аж рты раскрылись. Теперь ученые знают, что межзвездное магнитное поле примерно в два-три раза сильнее, чем ожидалось. Из этого, в свою очередь, следует, что межзвездные частицы оказывают в нашей гелиосфере давление в десять раз сильнее, чем считалось ранее.

«Это первая наша платформа, которая действительно испытала влияние межзвездной среды, для нас это настоящий первопроходец», — говорит гелиофизик Патрик Коэн (Patrick Koehn), специалист по программам в штаб-квартире НАСА.

Неплотная граница

Но вопреки всем ожиданиям результаты «Вояджера-1» оказались неполными. Прибор для измерения температуры плазмы отказал еще в 1980 году. Плазменный же инструмент «Вояджера-2» работает без сбоев, поэтому, когда он пересек гелиопаузу 5 ноября 2018 года, ученые подошли к рубежу во всеоружии.

Так, исследователи впервые узнали, что когда объект проходит в пределах 225 миллионов километров от гелиопаузы, окружающая его плазма замедляется, нагревается и становится более плотной. А по другую сторону границы средняя температура межзвездной среды составляет чуть менее 30 тысяч градусов Цельсия — то есть намного теплее, чем ожидалось.

Кроме того, «Вояджер-2» подтвердил, что гелиопауза — граница неплотная, и что утечки идут в обе стороны. Проходя через гелиопаузу, «Вояджер-1» видел завитки межзвездных частиц, напоминающие корни деревьев, которые пробиваются через скалы. «Вояджер-2» уловил и струйки частиц малой энергии на расстоянии сотен миллионов километров за гелиопаузой.

Еще одна загадка появилась, когда «Вояджер-1» приблизился к гелиопаузе на расстояние в 1,3 миллиарда километров и вошел в некое неопределенное пространство, где исходящий солнечный ветер замедлился до минимума. «Вояджер-2», прежде чем пересечь гелиопаузу, засек совершенно иной вид слоя, сформированный солнечным ветром, — как ни странно, такой же толщины, что и тот «застойный», замеченный «Вояджером-1».

«Все это очень, очень странно, — говорит Коэн. — Получается, что нам нужно больше данных».

Межзвездное продолжение?

Решение этих головоломок потребует новых данных о гелиосфере в целом. «Вояджер-1» вышел из гелиосферы около её передней кромки, где та сталкивается с межзвездной средой, а «Вояджер-2» вышел из неё вдоль ее левого фланга. О следе гелиосферы у нас данных нет, поэтому ее форма остается загадкой. Давление межзвездной среды может придавать гелиосфере примерно сферическую форму, но не исключено, что у нее есть хвост вроде кометы, или по форме она напоминает круассан.

Но несмотря на то, что наружу движутся и другие космические корабли, передать обратно данные о гелиопаузе они не смогут. Космический аппарат НАСА «Нью хорайзонс» (New Horizons) удаляется из Солнечной системы со скоростью 50 тысяч километров в час. В 2030-х у него кончится энергия, и он умолкнет — на расстоянии более 1,6 миллиарда миль от внешнего края гелиосферы. Поэтому ученые «Вояджера» призывают продолжить межзвездное зондирование. Их цель — рассчитанная на несколько поколений миссия сроком в 50 лет для исследования внешней части солнечной системы, неизведанных районов, куда не достигает солнечный ветер.

«Вот пузырь целиком, а мы пронзили его лишь в двух точках, — заявил на брифинге соавтор исследования Стаматиос Кримигис (Stamatios Krimigis), почетный руководитель Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса. — Двух примеров явно недостаточно».

Принять эстафету готово новое поколение ученых — включая Ранкин, которая писала диссертацию по межзвездным данным «Вояджера-1» в Калифорнийском технологическом институте, а ее научным руководителем был Стоун.

«Работать с самыми свежими данными с космического корабля, запущенного до моего рождения, было ужасно интересно, — и поразительная научная информация продолжают поступать, — говорит она. — Я очень благодарна всем людям, которые занимались „Вояджером»».

Источник: inosmi.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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