Как звезды далеки. Далеко ли от нас звезды? Как определить расстояние до объекта в космосе

Как часто мы зачарованно смотрим в небо, пораженные красотой мерцающих звезд! Они как бы рассыпаны по небосклону и манят нас своим загадочным свечением. Множество вопросов при этом возникает у нас, но одно ясно: звезды находятся очень далеко. Но что стоит за словом «очень»? Как далеко находятся от нас звезды? Как можно измерить расстояние до них?

Но сначала давайте разберемся с самим понятием «звезды».

Что обозначает слово «звезда»

Звезда – это небесное тело (материальный объект, естественным образом сформировавшийся в космическом пространстве), в котором идут термоядерные реакции. Термоядерная реакция – это разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счет кинетической энергии их теплового движения.

Типичной звездой является наше Солнце .

Проще говоря, звезды – это огромные светящиеся газовые (плазменные) шары. Они образуются в основном из водорода и гелия путем взаимодействия - гравитационного сжатия. Температура в глубине звезд огромна, она измеряется миллионами кельвинов. Если хотите, можете перевести эту температуру в градусы Цельсия, где °С = K−273,15. На поверхности она, конечно, ниже и составляет тысячи кельвинов.

Звезды – это главные тела Вселенной, потому что в именно в них заключена основная масса светящегося вещества в природе.

Невооруженным глазом мы можем видеть около 6000 звезд. Все эти видимые звезды (в том числе видимые при помощи телескопов) находятся в местной группе галактик (т.е. галактики Млечный Путь, Андромеды и Треугольника).

Ближе всех к Солнцу находится звезда Проксима Центавра. Она расположена в 4,2 светового года от центра Солнечной системы. Если это расстояние перевести в километры, то это будет 39 триллионов километров (3,9·10 13 км). Световой год равен расстоянию, проходимому светом за один год - 9 460 730 472 580 800 метрам (или 200000 км/сек.).

Каким же образом измеряют расстояние до звезд?

Как мы уже убедились, звезды находятся от нас очень далеко, поэтому эти огромные светящиеся шары кажутся нам маленькими светящимися точками, хотя многие из них могут быть во много раз больше нашего Солнца. Оперировать такими огромными цифрами очень неудобно, поэтому ученые выбрали другой, относительно простой способ измерения расстояния до звезд, но менее точный. Для этого наблюдают за определенной звездой с двух полюсов Земли: южного и северного. При таком наблюдении звезда смещается на небольшое расстояние для противоположного наблюдения. Такое изменение называется параллаксом. Итак, параллакс – это изменение видимого положения объекта относительно удалённого фона в зависимости от положения наблюдателя.

Это мы видим на схеме.

На фотографии – явление параллакса: отражение фонаря в воде значительно сдвинуто относительно практически не сместившегося Солнца.

Зная расстояние между точками наблюдения D (база ) и угол смещения α в радианах, можно определить расстояние до объекта:

Для малых углов:

Для измерения расстояния до звезд удобнее использовать годичный параллакс. Годичный параллакс - угол, под которым со звезды видна большая полуось земной орбиты, перпендикулярная направлению на звезду.

Годичные параллаксы являются показателями расстояний до звёзд. Расстояния до звезд удобно выражать в парсеках (пс). Расстояние, годичный параллакс которого равен 1 угловой секунде, называется парсек (1 парсек = 3,085678·10 16 м). Ближайшая звезда Проксима Центавра имеет параллакс 0,77″, следовательно, расстояние до неё составляет 1,298 пк. Расстояние до звезды α Центавра равно 4/3 пс.

Еще Галилео Галилей предположил, что если Земля вращается вокруг Солнца, то это можно заметить по непостоянству параллакса для удалённых звёзд. Но существовавшими тогда приборами невозможно было обнаружить параллактическое смещение звезд и определение расстояний до них. А радиус Земли слишком мал, чтобы служить базисом для измерения параллактического смещения.

Первые успешные попытки наблюдения годичного параллакса звёзд были выполнены выдающимся российским астрономом В. Я. Струве для звезды Вега (α Лиры), эти результаты опубликованы в 1837 г. Однако научно достоверные измерения годичного параллакса были впервые проведены немецким математиком и астрономом Ф. В. Бесселем в 1838 г. для звезды 61 Лебедя. Поэтому приоритет открытия годичного параллакса звёзд признается за Бесселем.

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 определяют другими методами.

Когда вы смотрите на небо тёмной ночью при ясной погоде, вы видите множество звёзд. Однако практически все они находятся в нашей галактике, Млечном пути. Даже самые далёкие из тех, что вы можете разглядеть без телескопа, находятся на расстоянии меньше двадцати тысяч световых лет от Земли. Может показаться, что это гигантская дистанция, но космос гораздо больше непосредственных наших окрестностей. Он действительно огромен, и именно поэтому учёным невероятно трудно изучать звёзды, находящиеся за пределами нашей галактики. Самое далёкое светило, которое удалось изолировать от окружающего её постороннего свечения, находится на расстоянии всего 55 миллионов световых лет от нас.

Научные достижения

Однако если астрономы ни в чём не ошибаются, недавно этот рекорд был побит. Согласно статье, опубликованной в марте этого года в журнале «Nature Astronomy», он был разбит в пух и прах, сметён и растоптан. Он перешёл к звезде, которая находится от нас, вдумайтесь только, в 14 миллиардах световых годах! Надо отметить, что астрономам нередко удаётся разглядеть удалённые от нашей планеты объекты. С помощью телескопов они могут видеть самые яркие сверхновые в 10 миллиардах световых годах от нас. Однако обычные звёзды невозможно рассмотреть даже на расстоянии, в сотни раз меньшем. И вот тут мы в первый раз упоминаем про «гравитационное линзирование».

Это явление происходит в тех случаях, когда огромная масса, имеющаяся у галактики или даже скопления галактик, искривляет, искажает и усиливает свет, источник которого находится за ней. Этот феномен возможен благодаря тому, что подобные объекты фактически искривляют само пространство вокруг себя. Галактики, создающие эффект гравитационного линзирования, «усиливают» яркость в среднем в 50 раз.

Далекие Звезды

Та звезда, о которой сегодня идёт речь, находится за скоплением галактик, находящимся в 6 миллиардах световых годах от нас, и её свет был усилен более чем в 2000 раз! В научных каталогах она значится как MACS J1149 Lensed Star 1. Однако учёные, обнаружившие её, дали ей и неофициальное название — Икар. Спасибо им за это большое, нам тоже так гораздо удобнее.

Икар был замечен, можно сказать, совершенно случайно, когда исследователи рассматривали снимки сверхновой, сделанные космическим телескопом «Хаббл» в 2016 и 2017 годах. Недалеко от неё они заметили небольшое яркое пятнышко. Оно со временем меняло яркость, но совсем не так, как это делают сверхновые. Цветовая гамма света, идущего от этого объекта, оставалась неизменной в течение многих месяцев. Дальнейший анализ показал, что мы имеем дело с голубым сверхгигантом.

Эти звёзды гораздо крупнее, массивнее, горячее Солнца и в сотни тысяч раз ярче его. Это такое небольшое напоминание о том, что любое явление в космосе может иметь поистине космические масштабы. Все голубые сверхгиганты обладают схожими характеристиками, поэтому, сравнив свет Икара со светом таких же объектов нашей галактики, астрономы смогли рассчитать расстояние до него. Выяснилось, что звезда имеет возраст 9 миллиардов лет, а связи с тем, что Вселенная расширяется, сейчас до этого светила вообще 14 миллиардов световых лет.

Как же Икару удалось увеличить своё изображение в 2000 раз, если обычное значение гравитационного линзирования составляет всего 50? Ответ — микролинзы. Это небольшие объекты, находящиеся внутри крупных линз. Это могут быть отдельные звёзды, обеспечивающие дополнительное приближение «картинки». Линзы внутри линз. Этот эффект длится сравнительно недолго, потому что микролинзы постоянно сходят с нужной позиции и вновь возвращаются на неё. Однако если мы внимательно следим за происходящим, перед нами открываются огромные возможности. С помощью микролинзирования учёным удалось найти даже планеты за пределами Млечного пути!

Самая далекая звезда

Икар, кстати, может быть полезен не только как обладатель рекорда, занесённый в соответствующую книгу. Изучая то, как действует на него с течением времени эффект приближения, астрономы надеются составить точную модель распределения материи в «линзирующем» скоплении галактик. Это, вероятно, включает в себя и тёмную материю, которую мы всё никак не можем найти, рассмотреть и пощупать, но которая оказывает гравитационное воздействие на прочие космические объекты. Таким образом, Икар может помочь нам значительно увеличить объём своих знаний о Вселенной. Что ж, его древнегреческий тёзка тоже был весьма положительным персонажем, хоть рекордсменом так и не стал, как ни старался. Надеемся, что и наш Икар не посрамит славного имени.

Древние считали, что все звезды находятся на одинаковом расстоянии от Земли, прикрепленные к хрустальной сфере. В античные времена Земля считалась неподвижным центром Вселенной, вокруг которого вращались Солнце, Луна, планеты и звезды. Природа небесных тел в то время была неизвестна, и лишь очень немногие философы полагали, что звезды являются, по сути, далекими солнцами.

Это представление стало распространяться только после появления учения Коперника в XVI веке. Чтобы объяснить неравномерности в движении планет по небу, Коперник предположил, что в центре Вселенной находится не Земля, но Солнце, вокруг которого вращались планеты. Земля, лишившись статуса центра, стала всего лишь одной из планет: теперь она не покоилась неподвижно, но обращалась вокруг Солнца по орбите. Тогда у некоторых ученых появилась идея измерить расстояния до звезд. Метод, который они предложили, называется методом годичного параллакса.

Идея была проста и заключалась в следующем. Если постоянно измерять положение звезды на небе, то можно заметить, как звезда описывает в пространстве крохотные эллипсы с периодом в 1 год. Смещение звезды должно происходить из-за движения Земли по орбите вокруг Солнца, и величина его будет тем больше, чем ближе к нам располагается звезда. Зная величину угла смещения или, иначе, параллакс звезды, можно без труда найти расстояние до нее по формуле D=a/sin(p), где a – большая полуось земной орбиты, а p – величина параллакса, измеряемая в секундах дуги.

Несмотря на простоту метода, ученым долгое время не удавалось обнаружить у звезд параллаксы. Некоторые считали это доказательством ошибочности теории Коперника, но большинство полагало, что звезды просто очень далеки от нас, чтобы надеяться определить их параллакс.

Только в XIX веке с появлением нового поколения телескопов, позволявших измерять очень малые углы, ученые смогли надежно определить расстояния до некоторых звезд. Первым параллакс измерил великий русский астроном, первый директор Пулковской обсерватории, Василий Яковлевич Струве в 1837 году. Наблюдая звезду Вегу, он нашел, что ее параллакс равен 0”,125. Это совершенно ничтожный угол. Достаточно сказать, что под таким углом будет виден невооруженному глазу человек с расстояния в 3000 километров!

Теперь можно было вычислить и расстояние до этой звезды. Если расстояние от Земли до Солнца (а) принять за 1, то D=1/sin(0”,125), что равно 1650000. Эта цифра показывает, во сколько раз Вега дальше от Земли, чем Солнце. Такие колоссальные расстояния неудобно измерять в километрах, поэтому астрономы пользуются парсеками. Парсек – это расстояние, с которого большая полуось земной орбиты, перпендикулярная к лучу зрения, видна под углом в 1". Расстояние в парсеках равно обратной величине параллакса. Так как параллакс Веги составляет всего лишь 1/8 угловой секунды, то расстояние до звезды равно 8 парсекам.

Это очень большая величина. Свет, двигаясь со скоростью 300000 км/с, преодолеет это расстояние за 26 лет. Это значит, что наблюдаемый нами свет Веги был испущен звездой 26 лет назад!

На сегодняшний день ученым известны параллаксы более сотни тысяч звезд. Метод годичных параллаксов позволил астрономам определить точные расстояния до звезд в радиусе примерно сотни парсек или 320 световых лет от Солнца. Расстояния до более далеких звезд определяются другими, косвенными методами. Но в их основании находится все тот же метод годичного параллакса.

Многие звёзды гораздо больше Солнца

Лучи света, исходящие от звёзд

Космонавты на орбите

Перед сном я очень люблю смотреть на красоту звёздного неба. Кажется, что там, наверху - царство вечной тишины и покоя. Только руку протяни, и звезда у тебя в кармане. Наши предки полагали, что звёзды могут влиять на нашу судьбу и наше будущее. Но вот на вопрос, что они собой представляют, ответит не каждый. Попробуем разобраться.

Звёзды являются основным «населением» галактик. Например, только в нашей галактике их сияет более 200 миллиардов. Каждая звезда - это огромный раскалённый светящийся газовый шар, как наше Солнце. Звезда светит, потому что выделяет колоссальное количество энергии. Эта энергия образуется в результате ядерных реакций при очень высоких температурах.

Многие из звёзд гораздо больше Солнца. А наша Земля - пылинка по сравнению с Солнцем! Представь себе, что Солнце - это футбольный мяч, а наша планета Земля по сравнению с ним маленькая, как булавочная головка! Почему же мы видим Солнце таким небольшим? Всё просто - потому что оно находится очень далеко от нас. А звёзды выглядят очень маленькими, потому что находятся
ещё гораздо-гораздо дальше. Например, луч света летит быстрее всего на свете. Он может облететь вокруг всей Земли раньше, чем ты успеешь моргнуть глазом. Так вот, Солнце так далеко, что его луч летит до нас 8 минут. А лучи от других самых близких звёзд летят к нам целых 4 года! Свет от самых дальних звёзд летит к Земле миллионы лет! Теперь становится понятно, как далеки от нас звёзды.

Но если звёзды - это Солнца, то почему они светят так слабо? Чем дальше звезда, тем шире расходятся её лучи, и свет рассеивается по всему небу. И доходит до нас только крошечная порция этих лучей.

Хотя звёзды рассыпаны по всему небосводу, мы видим их только ночью, а днём на фоне яркого рассеянного в воздухе солнечного света они не видны. Мы живём на поверхности планеты Земля и находимся как будто на дне воздушного океана, который постоянно волнуется и бурлит, преломляя лучи света звёзд. Из-за этого они кажутся нам мигающими и дрожащими. Но космонавты на орбите видят звёзды, как цветные немигающие точки.

Мир этих небесных тел очень разнообразен. Бывают звёзды-гиганты и сверхгиганты. Например, диаметр звезды Альфа в 200 тысяч раз больше, чем диаметр Солнца. Свет этой звезды проходит расстояние до Земли за 1200 лет. Если бы можно было облететь на самолете экватор гиганта, то для этого потребовалось бы 80 тысяч лет. Существуют и звёзды-карлики, которые значительно уступают по своим размерам Солнцу и даже Земле. Вещество таких звёзд отличается необыкновенной плотностью. Так, один литр вещества «белого карлика» Койпера весит около 36 тысяч тонн. Спичка, сделанная из такого вещества, весила бы около 6 тонн.

Присмотрись к звёздам. И ты увидишь, что не все они одинакового цвета. Цвет звезды зависит от температуры на их поверхности - от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Звёзды красного цвета считаются «холодными». Их температура «всего» около 3-4 тысяч градусов. Температура поверхности Солнца, которое жёлто-зелёного цвета, достигает 6 тысяч градусов. Белые и голубоватые звёзды - самые горячие, их температура превосходит 10-12 тысяч градусов.

Это интересно:

иногда можно наблюдать, как с неба падают звёзды. Говорят, что когда видишь падающую звезду, надо загадать желание, и оно обязательно исполнится. Но то, что мы принимаем за падающие звёзды, - это всего-навсего маленькие камни, летящие из космического пространства. Подлетая к нашей планете, такой камень сталкивается с воздушной оболочкой и при этом так сильно раскаляется, что начинает светиться, как звёздочка. Вскоре «звёздочка», не долетев до Земли, сгорает и гаснет. Эти «космические пришельцы» называются метеорами. Если часть метеора достигает поверхности, то её называют метеоритом.

В некоторые дни года метеоры появляются на небе гораздо чаще, чем обычно. Это явление называют метеорным потоком или говорят, что идёт «звёздный дождь».

Покинем наш солнечный город и отправимся мысленно путешествовать в далекие края Вселенной.
В этой книжке уже говорилось, что еще в древности люди называли звезды неподвижными. В самом деле, вокруг Земли вращается целиком весь небесный свод (ты теперь знаешь, что это вращение кажущееся). А одна звезда от другой находится все время на одинаковом расстоянии.
Вот созвездие Большая Медведица. Какую фигуру образовывали его семь звезд две тысячи лет назад, такая же она и теперь, такой же останется еще в продолжение нескольких тысяч лет.
Однако неподвижность звезд кажущаяся: они с огромной скоростью несутся в мировом пространстве, но мы не замечаем их передвижений, так как звезды страшно далеки от нас.
В течение нескольких столетий астрономы пытались узнать, насколько далеки от нас звезды, и не могли это сделать.
В 1837 году директор Пулковской обсерватории В. Я. Струве сумел найти расстояние до звезды Беги. Оказалось, что эта звезда примерно в 1700 тысяч раз дальше от нас, чем Солнце!
Важно было сделать первый шаг. Одновременно со Струве и позднее ученые нашли расстояние до многих звезд.
Ближайшую к нам звезду астрономы назвали Проксима, по-латыни это и означает «Ближайшая». Проксима (она находится в созвездии Центавра) - звезда небольшая, ее видно только в хороший телескоп и только с Южного полушария Земли.
Посчитаем, как скоро можно добраться до Проксимы.
А на чем мы отправимся?
Представим себе фантастическую картину.
До Проксимы проложен рельсовый путь, и первый пассажирский поезд ожидает сигнала к отправлению. Мы с тобой, запыхавшись, подбегаем к кассе.
- Есть еще билеты до Проксимы?
- Пожалуйста. - спокойно отвечает кассир.
- Два билета!
- Платите деньги.
- А сколько?
- Сейчас подсчитаю, - говорит кассир. - Так как путь далекий, то начальство дороги установило выгодную для публики цену: по одному рублю за каждый миллион километров.
- Это прямо даром! - радостно удивляемся мы.
- Подождите немного! - улыбается кассир. - Итак, один рубль за миллион километров - это сто пятьдесят рублей за астрономическую единицу. А до Проксимы двести шестьдесят тысяч астрономических единиц, значит… с вас по тридцать девять миллионов рублей, граждане!
Мы пятимся от кассы в испуге.
- А… а как долго будет идти поезд?
- Сейчас высчитаем и это, - успокаивает нас кассир. - Мы отправляем экспресс - триста километров в час. Путь до Солнца занял бы пятьдесят восемь лет, а до Проксимы в двести шестьдесят тысяч раз дальше… Через пятнадцать миллионов лет доедете до цели, товарищи!
- Станции по дороге будут?
- Вряд ли… Разве какая-нибудь комета попадется.

Мы сконфуженно пятимся от кассы.
- В другой раз зайдем, когда будем посвободнее…
Кассир смотрит вслед нам с грустью.
- Видно, не состоится рейс. Все пассажиры убегают…
Оказывается, поезд для межзвездных путешествий совсем неподходящее дело. Мы вспоминаем о ракете. Предположим, что уже изобретено такое горючее, при котором скорость ракеты достигает 20 километров в секунду, 72 000 километров в час.
Сейчас мы с тобой узнаем, нисколько выгоднее лететь на ракете. Скорость ракеты в 240 раз больше скорости поезда, значит, времени понадобится в 240 раз меньше. Делим 15 миллионов на 240.

Однако же! Даже на ракете придется лететь 62 500 лет. Как далеки от нас звезды!
В этой книге уже говорилось, что самое быстрое в мире - световой луч. Каждую секунду он пробегает расстояние в 300 тысяч километров - почти столько же, сколько от Земли до Луны. Вот если бы путешествовать на световом луче!
Расстояние от Земли до Солнца, то есть одну астрономическую единицу, световой луч пробежит за 8 минут 20 секунд. В сутках 1440 минут - это в 173 раза больше, чем 8 минут 20 секунд. Значит, за сутки свет пробегает около 173 астрономических единиц, а за год он проделает путь в 63 000 астрономических единиц, то есть путь, который в 63000 раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца.
Расстояние, которое свет проходит за год, астрономы назвали световым годом, и этой огромно, мерой длины измеряют расстояния во Вселенной.
В самом деле, астрономическая единица хороша для Солнечной системы, а когда речь идет о звездных расстояниях, она становится совсем маленькой. Даже до Проксимы 260 тысяч астрономических единиц, а есть звезды, которые в тысячи и даже миллионы раз дальше от Земли. Мерить расстояние до таких звезд астрономическими единицами - это все равно что измерять расстояние от Москвы до Владивостока миллиметрами.
Твердо запомни: год - мера времени, 365 с четвертью суток; световой год - мера длины, 63 000 астрономических единиц.
Сколько световых лет до Проксимы? В одном световом году 63 000 астрономических единиц, а всего до Проксимы 260 тысяч астрономических единиц - это значит, что до нее четыре с лишним световых года. осказках.ру - сайт
Вот еще одна фантастическая сценка.
Экспедиция, посланная с Земли до Проксимы, добралась туда. Путешественники взяли с собой мощный радиопередатчик и ведут разговор с Землей.
- Алло, алло! Говорит Проксима! Земля, слышите нас?
- Алло, алло, говорит Земля! Слышим Проксиму хорошо! Как прошло путешествие?
- Очень хорошо! Никаких особенных происшествий по дороге не случилось. Ждем присылки людей и продовольствия.
- А разве вы не нашли там обитаемых планет?
- Пока не нашли. Устроились временно на одной небольшой планете, но природа на ней скудная и пища не годится для земных желудков.
- Хорошо, пришлем пассажирские и транспортные корабли. На этом разговор кончаем. До свиданья, Проксима!
- До свиданья, Земля!
Как ты думаешь, сколько времени займет этот немногословный разговор? Больше 25 лет! Между каждым вопросом и получением ответа на него пройдет больше восьми лет, так как радиоволны летят в пространстве с такой же скоростью, как и свет.
Свет с его колоссальной скоростью, 300 тысяч километров в секунду, мчится от Проксимы до нас больше четырех лет. А есть звезды, которые находятся неизмеримо дальше.
Необъятно велика Вселенная! И почти невозможно представить себе, как далеки от нас даже ближайшие звезды. Быть может, тебе помогут рассказы о поезде, о ракете и о разговоре по радио.
Какой маленькой представляли себе Вселенную древние!
В одной древнегреческой легенде рассказывается, что бог Гефест уронил с неба наковальню, и она летела до Земли девять дней и девять ночей. Древним грекам это расстояние казалось неимоверно большим, а падающий предмет пройдет за девять суток всего 580 тысяч километров - это чуть дальше, чем от Земли до Луны.
Даже Солнечная система в тысячи раз больше, чем вся Вселенная в представлении греков.