Величие Вселенной в цифрах, и немножко в картинках

:

Привет, хабровчанин!
Этот пост является мыслями вслух, криком души, просто размышлением, а так же, небольшими подсчетами. Надеюсь, эта тема заставит развеятся и немножко задуматься. А может, просто доставит удовольствие красивыми картинками.

Я хотел бы показать насколько малы мы в бесконечных просторах космоса. И насколько невозможно сейчас нам оторваться от маленькой песчинки, которая нас породила, и сейчас греет и кормит. Употребляя в отношении землян синонимы слов “малы” и “ничтожны”, я ни в коем случае не хочу показать, что мы действительно являемся таковыми. Ведь именно нам выпала честь созерцать красоты пространства. Таким образом я лишь хочу подчеркнуть величие окружаещего нас мира.

image

Улететь далеко, хотя бы за пределы Солнечной Системы нам еще не удалось. А наша система — всего лишь задний двор по сравнению с полным межзвездным путешествием по мегаполису Вселеная. Но, благодаря технологиям — в частности телескопам — человек способен смотреть в пространство вселенной, и видеть его по крайней мере таким, каким оно было многие годы назад.

Пока что телескопы — единственный способ путешествовать так далеко. Самым известным из них, несомненно, является Хаббл. Фотографии, сделанные им, вне сомнения, видел каждый, кто даже не заинтересован в космосе. Поэтому, с них я и хочу начать понимание того, насколько мы ничтожны.

Фотографии Космоса


Посмотрев на фотографии, сделанные Хабблом, довольно хорошо видно, что небольшой участок космоса вокруг нашей родной звезды с его прекраснейшими видами планет, комет, астероидов и самого Солнца — всего лишь серое пятно по сравнению с красками окружающего нас далекого пространства.

Итак, начнем.

Крабовидная туманность является остатками сверхновой, взрыв которой наблюдался, согласно записям арабских и китайских астрономов, 4 июля 1054 года. Вспышка была видна на протяжении 23 дней невооружённым глазом даже в дневное время.
В центре туманности находится пульсар, являющийся нейтронной звездой, оставшейся после взрыва сверхновой, его диаметр всего лишь около 25 км. Он вращается вокруг своей оси, совершая 30 оборотов в секунду.
Эта композиция собрана из 26 изображений, снятых в октябре 1999 и январе и декабре 2000г.

image

Туманность Орел притягивает взгляд как минимум двумя фотографиями.

Знаменитая фотография, известная как «Столпы творения». Здесь находится активная область звёздообразования. Тёмные области в туманности — это протозвёзды.
По данным инфракрасного телескопа Spitzer, «Столпы Творения» были уничтожены взрывом сверхновой примерно 6 тысяч лет назад. Но так как туманность расположена на расстоянии 7 тысяч световых лет от Земли, наблюдать Столпы можно будет ещё около тысячи лет.

image

Фея. Высота столба пыли и газа, выходящего из туманности – около 90 триллионов километров, что в два раза больше расстояния от нашего Солнца до ближайшей звезды.

image

Галактика «Сомбреро» — спиральная галактика в созвездии Дева на расстоянии 28 млн световых лет от Земли. Как показали последние исследования этого объекта телескопом Spitzer, является двумя галактиками: плоская спиральная находится внутри эллиптической.
Очень сильное рентгеновское излучение обусловлено по мнению многих астрономов наличием чёрной дыры с массой в миллиард солнечных масс в центре этой галактики.
Сомбреро удаляется от нас со скоростью 1000 км/с.

image

Я завершу «показ слайдов» потрясающим изображением туманности Карина. Оно было получено при использовании трех фильтров. Красный — сера, зеленый — водород, синий — кислород.

image
image

Здесь можно найти больше картин, сделанных при помощи телескопа Хаббл.

Конечно, почти все, изображения сделаны не в привычном нашему глазу спектре света. Авторы этих версий фотографий постарались добавить красок в потрясающие картины, используя рентгеновские, инфракрасные, гамма излучения, а так же спектры свечения различных химических элементов. То есть, если бы мы действительно пролетали на корабле Энтерпрайз мимо одного из таких мест, то увидели бы несколько другую картину (имеются в виду цвета). Но, я думаю, что от этого она бы не стала менее величественной.

Телескопы не только «Фотографируют»


Вся важность телескопов в том, что они (пока что) — единственные устройства, созданные человеком, которые связывают нас со Вселенной. Поэтому человеку не оставалось другого выбора, как придумывать способы изучения космоса по полученному изображению. На ум сразу приходят как минимум два. Красное смещение и параллакс.

Оба эти способа дают нам узнать скорость, расстояние и время. Но как раз и скорости, и расстояния в космосе огромны. Ровно на этом моменте наш мозг приходит в тупик. 1000 километров в секунду — это как быстро? И можно ли представить себе световой год? Миллион лет, долго ли это?

Голые цифры ничего не дают. Так как они настолько большие, что выглядят просто как цифры. Приведем несколько значений в привычные для нас здесь, на Земле.

1000 км/с = 3 600 000 км/ч
1 световой год = 9 460 730 472 580 км
1 астрономическая единица = 150 000 000 км

Видите?

Представление огромных расстояний


Мне всегда нравились сравнения, типа «Земля во столько же раз больше яблока, во сколько яблоко больше молекулы».
Такие сравнения немного проливают свет на большие или малые величины.

Давайте попробуем. Чтоб стало чуть-чуть понятнее можно ввести более «земные» меры.
Например: чтоб понять скорость света — 300 000 км/с, можно сказать, что свет за 1 секунду может обогнуть землю 7,5 раз.
Или, чтобы пролететь световой год, нужно 31 620 раз слетать к Солнцу и обратно.

Но даже такие примеры не всегда спасают, ведь расстояние до Солнца тоже не так уж и мало.

Нужно начать с меньшего.

Диаметр Земли — всего лишь 12 742 км. Это мы можем представить легко. Путешествие на поезде (чуть больше суток на 1000 км) сквозь Землю заняло бы у нас 2 недели. Длина окружности Земли — 40 000 км. На поезде — полтора месяца! Не так уж и мало.
Хотя, с другой стороны, не так уж и много. Пойдем дальше.
До Луны 363 104 км. Она совсем рядом. На поезде мы ехали бы к ней чуть больше года! На самолете (1000 км/ч) 15 суток.

До орбиты Марса по прямой в среднем — 42 000 000 км, на самолете у нас это путешествие займет почти 5 лет! На самом деле дольше, т.к. красная планета чаще дальше от нас, чем расстояние между орбитами Земли и Марса, да и ввиду ограничений межпланетных перелетов, по прямой долететь до любой из планет невозможно. Например, Curiosity — долетел до Марса чуть больше, чем за 8 месяцев. Он преодолел за это время 563 000 000 километров (из-за сложной спиральной траектории почти в 4 раза больше, чем расстояние от Земли до Солнца пруф). Скорость модуля, судя из этого источника достигала 36 210 км/ч. (Что немного странно, простой расчет показывает, что за 253 дня 563 млн. км можно пролететь со скоростью, не меньшей 92 720 км/ч, да объяснят нам этот феномен знающие). Но не в этом суть.
Самая высокая скорость, с которой когда либо передвигался человек (39897 км/ч), была развита основным модулем «Аполлона 10» на высоте 121,9 км от поверхности Земли при возвращении экспедиции 26 мая 1969 г. Скорость Вояджеров — 48 000-61 000 км/ч (Вояджер-1). Но, рекорд скорости космического аппарата — 240 000 км/ч — был установлен американо-германским солнечным зондом «Гелиос-Б», запущенным 15 января 1976 г.
Таким образом, для наших новых сравнений можно смело вводить 2 новых объекта Вояджер-1 и Гелиос Б.

По прямой до Солнца — 150 000 000 км.
Поезд уже не актуален :) (Для интереса — 410 лет)
Самолет — 17 лет.
Вояджер-1 — 3,5 месяца.
Гелиос Б — 26 дней.

Уже понятнее. Но и это не так далеко. Даже на самолете человек в течении своей жизни сможет туда добраться.

Самая последняя планета Солнечной Системы — Нептун. До нее — 30 а.е., что примерно 4 500 000 000 (4,5 млрд км).
Итак, на самолете — 513 лет. (так же уже становится не актуальным)
Вояджер-1 — 8,5 лет.
Гелиос Б — 2 года.

Что ж, планетами полюбоваться нам вполне удастся и сегодня.

Много букв, пора показывать картинку.

image

Пока что, мы добрались до Нептуна. (Верхняя картинка — едва заметная голубая орбита).
Дальше перескочим сразу к Облаку Оорта, т.к. все интересное, что ближе него (пояс Койпера), всего в 2-3 раза дальше орбиты Нептуна.

Расстояние до внешних границ облака Оорта от Солнца составляет от 50 000 а. е. (приблизительно 1 световой год) до 100 000 а. е. (1,87 св. лет).
С тех пор, как Сатурн долгое время считался краем Солнечной Системы, последняя на сегодняшний день немного «выросла». А точнее с 9.5 а.е. до 125 000 а.е — в 13 000 раз. Краем Солнечной Системы теперь считается, по мнению некоторых ученых, именно преобладание гравитации Солнца над гравитацией окружающих звезд, а это как раз — 125 000 а.е. (приблизительно 2 световых года).

Сколько же времени нужно Вояджеру-1 чтоб пролететь расстояние, которое у света займет год? Ответ — примерно 18 000 лет.
На 28 ноября 2012 года Вояджер находился на расстоянии в 122,589 а. е. или 18,339 млрд км от Солнца. На это он потратил 35 лет! С 1977 года.
На картинке выше, голубая линия, показывающая окружность в центре облака Оорта слишком толстая, чтоб покрыть хотя бы последние 10 лет пути Вояджеров!
А на изображениях с Хаббла даже 1 пиксель, будет, грубо говоря, великоват, чтоб показать облако Оорта.

Продолжим посчеты. От Солнца до края облака Оорта Вояджер-1 долетел бы за 35 409 лет, а Гелиос Б — за 9 000 лет.
Вот вам и расстояния космоса по сравнению с нашими возможностями.

Представим, что мы покинули бы пределы Солнечной Системы. Чего бы мы достигли? Что увидели? Конечно, были бы получены очень многие важные данные о галактическом веществе и солнечном ветре, но небо здесь выглядело бы совсем уныло. Одни звезды вокруг. Не видно ни планет, ни Солнца. То есть, 9000 лет, и мы едва оторвались бы от Солнца.

Ближайший интересный объект — система Альфа Центавра, состоящая из звезд Альфа A, Альфа B и Проксима Центавра. Расстояние до этих звезд — 4,36 световых лет.
Так же, немного дальше, находится звезда Барнарда. Вторая по близости к Солнцу — 5,96 световых лет.

До них, соответственно, в 4 и в 6 раз дальше. Ближайшей звезды Гелиос Б достиг бы только через 36 000 лет. Это примерно половина времени существования человека на Земле. Полет к ближайшей звезде не намного превышает по зрелищности вылет за пределы Солнечной Системы. И это печально.

Безусловно, и то и другое событие — наиболее бы приблизили нас к звездам. Я не хочу умалять достижения человечества. Но, пока что, к сожалению можно мечтать только об этом.

Немного сладкой надежды


Новые разработки могут немного скрасить картину.
Несколько проектов:
Две модификации проекта «Орион» (1950г.) — Первая модификация должна была достигнуть Альфы Центавра за 1800 лет, Вторая — с максимальной скоростью — 10.000 км/с за 130 лет.
Проект «Дедал» (1973г.) был настроен долететь до звезды Барнарда за 40-49 лет.
Оба проекта уже, к сожалению, закрыты. Но, честно говоря, они больше попахивают фантастикой.

Здесь полный список проектов, не буду рассказывать о каждом, но довольно многообещающим выглядит Аннигиляционный двигатель.
С помощью него теоретически можно разогнаться до 70% скорости света! Но слишком уж недостижимо пока еще удерживать антивещество достаточно долго.

В общем, пока что можно мечтать даже о 0,1 скорости света. Но, и в этом случае, сопротивление вещества межзведного пространства не даст нам нормально себя чувствовать в нашем корабле.

Про мечты человечества есть хорошая статья на Хабре. И в ней есть вот эта очень интересная ссылочка, советую. Но завершим, все же, цифрами.

Напоследок, представим на секунду, что мы смогли бы когда-либо разогнаться до 10 млн км/ч — это одна сотая скорости света. При этом, возможно нам не так будут мешать встречные частицы межзвездного пространства да и 10 000 000 км/ч — внушительная скорость.
Тогда:
До Солнца — 15 часов. (многообещающе)
До облака Оорта — 108 лет. (уже настораживает)
До ближайшей звезды — 432 года. :(
До центра Млечного Пути 5,3 млн лет.
До Большого Магелланового Облака — 18 млн лет.
До Малого Магелланового Облака — 21,5 млн лет
До галактики Андромеда — 270 млрд лет!

Видно, что и в этом случае человеку на своем жизненном пути светит лишь вылететь за пределы Солнечной Системы.
Конечно, для путешественника данное время может слегка сжиматься из-за приближения к скорости света, согласно Специальной Теории Относительности. Но я, к сожалению, с моими познаниями не могу сказать точно на сколько. Увы, даже с этим, перспектива если и более реальная, то уж точно не близкая.

Итог


Что же получается?
А получается, что любоваться красотой Вселенной нам, пока что, суждено лишь в телескопы.

Надеюсь, я хоть немного приблизил ваше (да и свое (во время написания поста)) понимание величия Мира.
Жду исправлений по расчетам, если где ошибся и дополнений. Особенно по новым разработкам и скоростям.

============
Дополнения из комментариев.

Небольшим плюсом является то, что галактика Андромеды и звезда Барнарда движутся в нашу сторону. Поэтому к ним мы подлетим «чуть» быстрее!
Вот пара пруфов из Википедии.

Галактика Андромеды, как и Млечный Путь, принадлежит к Местной группе, и движется по направлению к Солнцу со скоростью 300 км/с. Определив направление движения Солнца по Млечному Пути, астрономы выяснили, что галактика Андромеды и наша Галактика приближаются друг к другу со скоростью 100—140 км/с.

Поперечная скорость «Летящей Барнарда» относительно Солнца составляет 90 км/с, радиальная скорость равна 106,8 км/с по направлению к нам (измерена по доплеровскому сдвигу).
Звезда приближается к Солнцу. Минимальное расстояние составит 3,8 светового года (1,2 пк) в 11 800 г.; в это время она будет нашей ближайшей соседкой. Невооружённым взглядом не видна.