Рассказать всей Вселенной!
Когда люди смотрят на ночное небо, они задаются простым вопросом: как далеко находится эта планета? Или эта звезда? Или эта галактика? Расстояние – одно из самых фундаментальных измерений, которое проводят астрономы. Но оно также является и одним из самых сложных. К счастью, у астрономов есть инструмент, который помогает им ответить на главный вопрос: как далеко находится тот или иной космический объект? Этот инструмент называется космическая шкала (лестница) расстояний.
Эта лестница имеет определенные «ступеньки». В их качестве выступают объекты с определенными свойствами, которые позволяют астрономам уверенно измерять расстояние до них. Переход к каждой последующей ступени основан на методах измерения объектов, которые находятся еще дальше. А следующий шаг часто совмещается с предыдущим. Например, когда астрономы измеряют расстояние до галактики, они используют одну ступеньку. А затем могут измерить расстояние, используя следующую ступеньку. А потом сопоставить полученные значения. Это позволяет им двигаться все дальше. И измерять все большие и большие расстояния.
Параллакс
Этот метод измерения расстояний позволяет вычислить удаленность ближайших звезд. Это способ, которым когда-то спутник Hipparcos, а теперь и космический аппарат Gaia, измеряют расстояния до звезд Млечного пути. Технология основана на анализе движения близлежащих звезд, когда те перемещаются на фоне более далеких звезд, которые выглядят фиксированными. Сравнивая фактическое видимое положение звезды с ее видимым положением шесть месяцев назад, астрономы могут рассчитать расстояние до нее. Но проблема заключается в том, что это работает только для звезд, которые находятся достаточно близко к нам. Только в этом случае мы сможем отследить их движение на отдаленном фоне. С использованием современных технологий с помощью параллакса можно измерять расстояния до звезд, находящихся на удалении от нас в десятки тысяч световых лет.
Парсек и его производные
Название «парсек» расшифровывается как «параллакс угловой секунды». Угловая секунда – это единица измерения угла: окружность делится на 360 градусов, градус – на 60 минут, минута – на 60 секунд. Параллаксом называется изменение наблюдаемого положения объекта в зависимости от расположения наблюдателя. По годичному параллаксу звезд вычисляется расстояние до них. Если представить себе прямоугольный треугольник, один из катетов в котором – полуось земной орбиты, а гипотенуза – расстояние между Солнцем и другой звездой, то размер угла в нем – годичный параллакс данной звезды.
При определенном расстоянии годичный параллакс будет равен 1 угловой секунде, вот это расстояние и было принято за единицу измерения под названием парсек. Международное обозначение этой единицы – pс, российское – пк.
Парсек равен 30,8568 трлн км или 3,2616 светового года. Впрочем, для космических масштабов и этого оказалось недостаточно. Астрономы пользуются производными единицами: килопарсек равен 1000 пк, мегапарсек – 1 млн пк, а гигапарсек – 1 млрд пк.
Звездные маяки
Используя параллакс, мы не можем измерить расстояния до всех звезд даже нашего Млечного Пути. Ведь его диаметр составляет не менее 100 тысяч световых лет. Поэтому следующая ступень измерения расстояний опирается на свойства переменных звезд. Их еще называют цефеидами или переменными типа RR Лиры. Эти звезды со временем меняют свою яркость. Как это работает? Физика говорит, что все звезды, например, типа RR Лиры имеют одинаковую яркость. Потому что они имеют определенный и известный возраст и массу. Однако реальные цефеиды такого же класса имеют разную яркость. По соотношению яркостей между эталонной цефеидой, расстояние до которой определено, и звездой того же класса астрономы могут измерить расстояние до последней. Но как же астрономы узнают, что эталонная цефеида, и та, до которой вычисляется расстояние, относятся к одному классу? Все просто. Период их мерцания говорит об их массе и возрасте.
Подобные переменные звезды есть не только в нашей галактике. Астрономы обнаружили их и в ближайшей к нам галактике – Галактике Андромеды. Она находится на расстоянии около 2,5 миллиона световых лет. А так же подобные объекты есть в скоплении Дева, удаленной от нас на расстояние около 50 миллионов световых лет.
Топ-10 Странных единиц измерения
Все знакомы с основными единицами измерения: сантиметры, килограммы, секунды и другие способы упорядочить наше окружение находятся с нами каждый наш шаг от рождения до смерти. Тем не менее, существует множество единиц измерения, о которых мы никогда даже не слышали. Некоторые из них забавны, другие же крайне важны и серьёзны, но все они являются очень странными. 10. Уэльс и Бельгия
Британцы обладают продолжительным опытом использования странных, но наглядных единиц измерения. Их средства информации особенно любят описывать размеры в таких терминах как «длина автобуса», «футбольное поле» и «олимпийский плавательный бассейн». Самыми странными из этих наглядных единиц измерения, наверное, являются Уэльс и Бельгия. Единица измерения Уэльс, естественно равна примерно размеру страны, а именно 20 000 квадратных километров. Использование данной единицы измерения пошло ещё со времён Британской Империи и используется для описания размера различных географических областей так, чтобы среднестатистический человек мог быстро представить себе размер той или иной области. Например, когда американцы начали войну во Вьетнаме, британские средства массовой информации представили Вьетнам своим гражданам как «страну, расположенную на юго-востоке Азии, размером в 14 Уэльсов». Когда Великобритания вступила в Европейский союз, Уэльс был заменён Бельгией. Страна размером с 1,5 Уэльс может использоваться как похожая, легко распознаваемая единица измерения. Кроме того, «Бельгия» считается более интернациональной единицей измерения. 9. Банановый эквивалент
Существует много способов измерить радиацию, и большинство из них были названы в честь ученых, как Гейгер (Geiger), Рентген (Roentgen), или Зиверт (Sievert). Однако кроме них есть ещё и банановый эквивалент. Каждый банан, который вы съедаете, загрязнён незначительным количеством радиации. Как ни странно, это количество равно примерно 0,1 микрозиверта (зиверт является стандартом для оценки биологического действия радиации). Хотя это, очевидно, безвредная доза, она позволяет сделать сравнение с абстрактными количествами радиации. Например, чтобы получить количество радиации, выброшенной из-за утечки в ходе катастрофы на Фукусиме в Японии, вы должны были бы съесть 76 000 000 бананов. Банановый эквивалент на самом деле может быть первой единицей измерения когда-либо придуманной комиком. Изначально она появилась в удивительно хорошо проработанной сравнительной таблице, опубликованной в популярном веб комиксе «XKCD». С тех пор, её используют такие средства информации как Форбс (Forbes) и BBC, благодаря лёгкости и доступности её использования. 8. Краб
Краб может звучать как единица измерения для моллюсков, однако она не имеет ничего общего с членистоногими. Крабы и их родственники, милликрабы, используются для выражения интенсивности источников излучения в космосе. Нелогичное название на самом деле происходит от Крабовидной туманности (Crab Nebula), огромной оставшейся части древней сверхновой, которая известна тем, что является постоянным и особенно интенсивным источником космических рентгеновских лучей. Так же как прототип палки для измерения метра, которая была использована для определения метрических измерений до 1960 года, Крабовидная туманность служит в качестве стандарта для космического излучения. За последние годы учёные заметили, что излучение Крабовидной туманности не столь устойчиво, как они думали раньше, поэтому статус краба в качестве надежной единицы измерения в настоящее время находится под вопросом.
7. Бородосекунда
Области физики и инженерии славятся использованием большого количества различных систем измерений, некоторые из которых более смешные, чем другие. Бородосекунда, скорее относится к странным единицам измерения. Это шутливая (но весьма популярная) мера небольшой длины, определяемая расстоянием, на которое отрастает среднестатистическая борода за одну секунду. Бородосекунда является одним из многих измерений, вдохновленных (и спародированных) световым годом, расстоянием, которое свет проходит за один год. Её точное значение трудно определить, так как не существует такого понятия, как «стандартизированная борода». Несмотря на это, бородосекунда равна приблизительно 5 наномиллиметрам, при учёте, что «стандартная» борода отрастает на 15 сантиметров за год. 6. Единица жгучести Американской ассоциации торговли пряностями (ASTA)
Большинство людей знакомы со шкалой жгучести Сковилла, с помощью которой оценивают жгучесть перцев чили. Тем не менее, эта шкала является немного неточной, поэтому настоящие профессионалы не принимают всерьёз шкалу Сковилла и классифицируют свои специи в соответствии с единицей жгучести Американской ассоциации торговли пряностями. Эта шкала измеряет жгучесть перца, используя технику жидкостной хроматографии, которая даёт более точную оценку, чем шкала Сковилла. Однако, исходя из того, что шкала Сковилля довольно хорошо известна и стандартизирована, шкала жгучести Американской ассоциации торговли пряностями в основном используется для измерения цвета продуктов из перца. Это важно, потому что качество (и цена) порошка чили, как правило, связано с глубиной его красного цвета. 5. Сидарб (Sydharb)
Люди, побывавшие в Австралии, возможно, сталкивались с этой таинственной единицей измерения, которая появляется как в официальных документах, так и в обычном разговоре. Странно названный сидарб является грубым измерением большого объёма воды. Он назван в честь Сиднейской гавани и используется примерно так же, как используются Уэльс и Бельгия для измерения размера участка суши. Один сидарб примерно равен количеству воды в гавани Сиднея — порядка 562 000 мегалитров во время прилива. Неудивительно, что эта единица измерения так и не обрела популярность за пределами Австралии. 4. Система Фурлонг, Фиркин и Фортнайт (ФФФ)
Много странных единицы измерения появились сначала как шутка или как странная идея одного человека, которая в конечном итоге набрала обороты. Система Фурлонг, Фиркин и Фортнайт (ФФФ) (Furlong, Firkin, and Fortnight System (FFF)) к таким случаям не относится: это редкий пример абсолютно произвольной системы измерения, которая пародирует другие системы. Она основана на трёх основных измерениях: Ферлонг для длины (200 метров), Фиркин для массы (40 килограммов) и Фортнайт для времени (1,2 миллиона секунд, или две недели). Фортнайт основана на старой английской единице измерения, в то время как другие являются преднамеренно нелепыми. Хотя три основные единицы системы (и их множественные производные) являются не более чем шутливым комментарием ко многим смешным системам измерения, которые существуют в реальности, от них на самом деле есть некоторая польза. «Фурлонгов на Фортнайт» и «Фиркинов на Фортнайт», являются известными шутками, которые высмеивают «любую нелепую единицу измерения». Микрофортнайт (microfortnight) (1,2096 секунд) часто используется наряду с более общепринятыми единицами изменения времени, в качестве инженерной шутки. Например, калькулятор преобразования систем измерения Гугла поддерживает микрофортнайт. 3. Савар (Savart)
Какой бы красивой, и иногда даже хаотичной, не казалась бы музыка она на самом деле тесно связана с математикой. Когда дело доходит до шкалы Савара, эти два понятия становятся практически одним и тем же. Система основана на Саваре, единице измерения, которая равна 1/301 от октавы (музыкальный интервал, отделяющий две одинаковые ноты). Если вы знаете теорию музыки, Савар представляет собой удобную приблизительную единицу измерения в определенных ситуациях. Несмотря на его сложность и непонятность, Савар был фактически изобретён дважды и двумя разными людьми. Первым был Джозеф Совер (Joseph Sauveur), который придумал эту единицу в 1696 году и назвал его «эптамерид» (eptameride) (Савар является 1/7 мериды, логарифмического значения интервала, которое он изобрел). В 20 веке французский физик Феликс Савар (Félix Savart) стал отстаивать это понятие, дав ему своё имя. 2. Эрланг (Erlang)
Эрланг является одной из наиболее распространенных единиц измерения. Мы сталкиваемся с ней в нашей повседневной жизни, хотя мы этого никогда не осознаём. Каждую секунду пока мы говорим по телефону, на счётчике тикают эрланги, эта единица измерения используется для подсчёта телекоммуникационного трафика. Один эрланг равен одному часу непрерывного трафика по речевому тракту. Измерения эрлангов жизненно важны — они помогают инженерам понять телекоммуникационные модели и создать сети, которые не обрушатся из-за большого объема звонков. Единица измерения названа Эрланг в честь Агнера Кларупа Эрланга (Agner Klarup Erlang), великого, эксцентричного и талантливого инженера, который в одиночку создал всё научное направление анализа телефонных сетей. 1. Барн (Barn)
Если когда-нибудь и была единица измерения, которая казалась бы связанной с сельским хозяйством, то это точно был бы Барн (в переводе с английского «barn» означает «сарай, коровник»). Одно лишь название этой единицы измерения вызывает в воображении образы сельского хозяйства и выпаса крупного рогатого скота, но на самом деле это далеко не так. Барн это единица измерения в области физики элементарных частиц, которая (вместе со своими двоюродными братьями, фемтобарном и аттобарном), используются для измерения того, сколько частиц ударило детектор в экспериментах с коллайдером. Термин Барн был впервые использован в июне 1943 года, когда он начал появляться в докладах секретной лаборатории Лос-Аламос (Los Alamos). Единица была так названа потому, что изначально предложенные её названия, «Оппенгеймер» (Oppenheimer) и «Бете» (Bethe), были сочтены слишком сложными для эффективного использования. Учёные, которые изобрели эту единицу измерения, были жителями сельских районов, поэтому Барн сразу пришёл им на ум, а остальное уже история.
В далекой галактике…
Но по мере увеличения расстояния до галактик телескопы уже не могут различить отдельные звезды. Точно так же, как буквы на плакате у окулиста становятся нечеткими по мере их уменьшения. В конце концов, звезды больше не могут быть использованы в качестве следующей ступени на лестнице расстояний. Поэтому, чтобы измерить расстояния до самых далеких галактик, астрономы полагаются на чрезвычайно яркие объекты. Они способны сиять на огромные расстояния.
Наиболее часто используемый для этих целей объект называется сверхновой типа Ia. Считается, что это событие – взрыв белого карлика, остатка звезды, подобной Солнцу. Он происходит тогда, когда объект превышает определенный предел веса. Из-за физических свойств белых карликов они не могут весить более чем 1,4 массы нашего Солнца. Но в двойных звездных системах они могут украсть материю у своего спутника, нарушить равновесие и взорваться. Поскольку сверхновые типа Ia всегда имеют примерно одну и ту же массу, они всегда имеют примерно одинаковую яркость. Соответственно, чем меньше эта яркость, тем дальше от нас находится объект. А эти объекты очень яркие. Их видно на расстоянии около 10 миллиардов световых лет и даже дальше.
Красное смещение
И, наконец, самая высокая ступенька космологической лестницы расстояний. Красное смещение. Астрономы измеряют его значение, анализируя спектр космических объектов. Каждый элемент или молекула оставляет разные следы в этом спектре. Они проявляются лишь на определенных длинах волн. Но если галактика удаляется от нас, все частоты ее спектра смещаются в сторону увеличения. Длины волн спектров химических элементов меняются. И величина, на которую они сместились, называется красным смещением. Этот сдвиг связан с расстоянием до галактики по закону Хаббла. Он гласит, что чем дальше галактика находится от Земли, тем быстрее она удаляется от нас. Это происходит из-за расширения Вселенной. Измерение красного смещения позволило астрономам обнаружить некоторые из самых ранних известных галактик. Они находятся на расстоянии более 13 миллиардов световых лет от Земли.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Рассказать всей Вселенной!
