Единицы измерения расстояний вселенной

Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего (полного) общего образования и рассчитан на преподавание предмета из расчета 3 часа в неделю.

Учебник объединяет сведения об основных законах и закономерностях, наиболее важных открытиях и достижениях в области химии, физики, астрономии, что формирует у учащихся представление о природе как целостной системе, а также о взаимосвязи человека, природы и общества.

Современное оформление, многоуровневые вопросы и задания, дополнительная информация и возможность параллельной работы с электронным приложением способствуют эффективному усвоению учебного материала.

Учебник адресован учащимся 10 класса.

Книга: Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Единицы измерения Вселенной.

Многолетние исследования позволили человечеству составить представление о строении Вселенной и находящихся в ней объектах и установить место, которое занимает в ней наша Земля. Огромные, по сравнению с привычными для нас, расстояния, разделяющие звёзды и галактики, а также скорости движения многих космических объектов привели к убеждению, что Вселенная в целом обладает качествами, с которыми нам не приходится иметь дело в повседневной жизни. Поэтому этот мир получил особое название мегамира, т. е. огромного мира.

Для того чтобы оценить размеры этого мира, сложно использовать обычные единицы измерения, например километры. Мы получим числа, выраженные десятью в такой огромной степени, что воспринимать и сравнивать их будет чрезвычайно сложно. В качестве единиц расстояния в мегамире для относительно небольших расстояний применяют астрономическую единицу, а для совсем огромных – световой год. Астрономическая единица – это среднее расстояние от Земли до Солнца, она составляет 149 600 000 км. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит в течение года. Зная, что скорость света равна 300 000 км/с, а год насчитывает 31 536 000 с, нетрудно подсчитать число километров, которое укладывается в один световой год: оно составляет 9,46 10 12 км, т. е. 9 500 000 000 000 км! Иногда для измерения астрономических расстояний используют единицу, называемую парсек, она примерно в три раза больше светового года и равна 3,1 • 10 13 км.

Существующие данные о размере Вселенной свидетельствуют о том, что мы имеем дело с действительно огромным миром, совершенно несопоставимым с привычными для нас масштабами. Самые мощные из существующих телескопов способны разглядеть объекты, находящиеся от нас на расстоянии 28 млрд световых лет, т. е. 10 23 км. Это означает, что диаметр видимой Вселенной составляет около 60 млрд световых лет. Согласно недавно проведённым расчётам, диаметр Вселенной ещё больше и может доходить до 80 млрд световых лет. Такие размеры представить себе просто невозможно. Если бы диаметр Вселенной был равен диаметру земного шара, то величина Солнечной системы соответствовала бы размерам бактерии.

Тем не менее, несмотря на относительно малые размеры, Солнечная система и особенно Земля имеют огромное значение для человечества, поскольку, по выражению К. Э. Циолковского, являются его колыбелью.

Источник

Расстояния в космосе

Расстояние между Землей и Луной громадно, но кажется крохотным в сравнении с масштабами космоса.

Космические просторы, как известно, довольно масштабны, а потому астрономы не используют для их измерения метрическую систему, привычную для нас. В случае с расстоянием до Луны (384 000 км) километры еще могут быть применимы, однако если выразить в этих единицах расстояние до Плутона, то получится 4 250 000 000 км, что уже менее удобно для записи и вычислений. По этой причине у астрономов в ходу иные единицы измерения расстояния, о которых читайте ниже.

Астрономическая единица

Наименьшей из таких единиц является астрономическая единица (а.е.). Исторически так сложилось, что одна астрономическая единица равняется радиусу орбиты Земли вокруг Солнца, иначе – среднее расстояние от поверхности нашей планеты до Солнца. Данный метод измерения был наиболее подходящим для изучения структуры Солнечной системы в XVII веке. Ее точное значение 149 597 870 700 метра. Сегодня астрономическая единица используется в расчетах с относительно малыми длинами. То есть при исследовании расстояний в пределах Солнечной системы или других планетных систем.

Световой год

Несколько большей единицей измерения длины в астрономии является световой год. Он равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за один земной, юлианский год. Подразумевается также нулевое влияние гравитационных сил на его траекторию. Один световой год составляет около 9 460 730 472 580 км или 63 241 а.е. Данная единица измерения длины используется лишь в научно-популярной литературе по той причине, что световой год позволяет читателю получить примерное представление о расстояниях в галактическом масштабе. Однако из-за своей неточности и неудобности световой год практически не используется в научных работах.

Материалы по теме

Световой год

Парсек

Наиболее практичной и удобной для астрономических вычислений является такая единица измерения расстояния как парсек. Чтобы понять ее физический смысл, следует рассмотреть такое явление как параллакс. Его суть состоит в том, что при движении наблюдателя относительно двух отдаленных друг от друга тел, видимое расстояние между этими телами также меняется. В случае со звездами происходит следующее. При движении Земли по своей орбите вокруг Солнца визуальное положение близких к нам звезд несколько меняется, в то время как дальние звезды, выступающие в роли фона, остаются на тех же местах. Изменение положения звезды при смещении Земли на один радиус ее орбиты, называется годичный параллакс, который измеряется в угловых секундах.

Тогда один парсек равен расстоянию до звезды, годичный параллакс которой равен одной угловой секунде – единице измерения угла в астрономии. Отсюда и название «парсек», совмещенное из двух слов: «параллакс» и «секунда». Точное значение парсека равняется 3,0856776·10 16 метра или 3,2616 светового года. 1 парсек равен примерно 206 264,8 а. е.

Метод лазерной локации и радиолокации

Эти два современных метода служат для определения точного расстояния до объекта в пределах Солнечной системы. Он производится следующим образом. При помощи мощного радиопередатчика посылается направленный радиосигнал в сторону предмета наблюдения. После чего тело отбивает полученный сигнал и возвращает на Землю. Время, потраченное сигналом на преодоление пути, определяет расстояние до объекта. Точность радиолокации – всего несколько километров. В случае с лазерной локацией, вместо радиосигнала лазером посылается световой луч, который позволяет аналогичными расчетами определить расстояние до объекта. Точность лазерной локации достигается вплоть до долей сантиметра.

Телескоп ТГ-1 лазерного локатора ЛЭ-1, полигон Сары-Шаган

Метод тригонометрического параллакса

Наиболее простым методом измерения расстояния до удаленных космических объектов является метод тригонометрического параллакса. Он основывается на школьной геометрии и состоит в следующем. Проведем отрезок (базис) между двумя точками на земной поверхности. Выберем на небосводе объект, расстояние до которого мы намерены измерить, и определим его как вершину получившегося треугольника. Далее измеряем углы между базисом и прямыми, проведенными от выбранных точек до тела на небосводе. А зная сторону и два прилежащих к ней угла треугольника, можно найти и все другие его элементы.

Величина выбранного базиса определяет точность измерения. Ведь если звезда расположена на очень большом расстоянии от нас, то измеряемые углы будут почти перпендикулярны базису и погрешность в их измерении может значительно повлиять на точность посчитанного расстояния до объекта. Поэтому следует выбирать в качестве базиса максимально отдаленные точки на Земле. Изначально в роли базиса выступал радиус Земли. То есть наблюдатели располагались в разных точках земного шара и измеряли упомянутые углы, а угол, расположенный напротив базиса назывался горизонтальным параллаксом. Однако позже в качестве базиса стали брать большее расстояние – средний радиус орбиты Земли (астрономическая единица), что позволило измерять расстояние до более отдаленных объектов. В таком случае, угол, лежащий напротив базиса, называется годичным параллаксом.

Данный метод не очень практичен для исследований с Земли по той причине, что из-за помех земной атмосферы, определить годичный параллакс объектов, расположенных более чем на расстоянии в 100 парсек – не удается.

Однако в 1989 год Европейским космическим агентством был запущен космический телескоп Hipparcos, который позволил определить звезды на расстоянии до 1000 парсек. В результате полученных данных ученые смогли составить трехмерную карту распределения этих звезд вокруг Солнца. В 2013 году ЕКА запустило следующий спутник – Gaia, точность измерения которого в 100 раз лучше, что позволяет наблюдать все звезды Млечного Пути. Если бы человеческие глаза обладали точностью телескопа Gaia, то мы имели бы возможность видеть диаметр человеческого волоса с расстояния 2 000 км.

Метод стандартных свечей

Для определения расстояний до звезд в других галактиках и расстояний до самих этих галактик используется метод стандартных свечей. Как известно, чем дальше от наблюдателя расположен источник света, тем более тусклым он кажется наблюдателю. Т.е. освещенность лампочки на расстоянии 2 м будет в 4 раза меньше, чем на расстоянии 1 метр.Это и есть принцип, по которому измеряется расстояние до объектов методом стандартных свечей. Таким образом, проводя аналогию между лампочкой и звездой, можно сравнивать расстояния до источников света с известными мощностями.

Масштабы разведанной существующими методами Вселенной впечатляют. Смотреть инфографику в полном размере.

В качестве стандартных свечей в астрономии выступают объекты, светимость (аналог мощности источника) которых известна. Это может быть любого рода звезда. Для определения ее светимости астрономы измеряют температуру поверхности, опираясь на частоту ее электромагнитного излучения. После чего, зная температуру, позволяющую определить спектральный класс звезды, выясняют ее светимость при помощи диаграммы Герцшпрунга-Рассела. Затем, имея значения светимости и измерив яркость (видимую величину) звезды, можно посчитать расстояние до нее. Такая стандартная свеча позволяет получить общее представление о расстоянии до галактики, в которой она находится.

Однако данный метод достаточно трудоемкий и не отличается высокой точностью. Поэтому астрономам удобнее использовать в качестве стандартных свечей космические тела с уникальными особенностями, для которых светимость известна изначально.

Уникальные стандартные свечи

Цефеида PTC Puppis

Цефеиды – наиболее используемые стандартные свечи, представляющие собой переменные пульсирующие звезды. Изучив физические особенности этих объектов, астрономы узнали, что цефеиды обладают дополнительной характеристикой – периодом пульсации, который легко можно измерить и который соответствует определенной светимости.

В результате наблюдений ученым удается измерить яркость и период пульсации таких переменных звезд, а значит и светимость, что позволяет высчитать расстояние до них. Нахождение цефеиды в иной галактике дает возможность относительно точно и просто определить расстояние до самой галактики. Поэтому данный тип звезд часто именуется «маяками Вселенной».

Несмотря на то, что метод цефеид является наиболее точным на расстояниях до 10 000 000 пк, его погрешность может достигать 30%. Для повышения точности потребуется как можно больше цефеид в одной галактике, но и в таком случае погрешность сводится не менее чем к 10%. Причиной тому служит неточность зависимости период-светимость.

Цефеиды — «маяки Вселенной».

Кроме цефеид в качестве стандартных свечей могут использоваться и другие переменные звезды с известными зависимостями период-светимость, а также для наибольших расстояний — сверхновые с известной светимостью. Близким по точности к методу цефеид является метод, с красными гигантами в роли стандартных свеч. Как выяснилось, ярчайшие красные гиганты имеют абсолютную звездную величину в достаточно узком диапазоне, которая позволяет посчитать светимость.

Расстояния в цифрах

Расстояния в Солнечной системе:

1 а.е. от Земли до Солнца = 500 св. секунд или 8,3 св. минуты
30 а. е. от Солнца до Нептуна = 4,15 световых часа
132 а.е. от Солнца – таково расстояние до космического аппарата «Вояджер-1», было отмечено 28 июля 2015 года. Данный объект является самым отдаленным из тех, что были сконструированы человеком.

Расстояния в Млечном Пути и за его пределами:

1,3 парсека (268144 а.е. или 4,24 св. года) от Солнца до Проксима Центавра – ближайшей к нам звезды
8 000 парсек (26 тыс. св. лет) – расстояние от Солнца до центра Млечного Пути
30 000 парсек (97 тыс. св. лет) – примерный диаметр Млечного Пути
770 000 парсек (2,5 млн. св. лет) – расстояние до ближайшей большой галактики – туманность Андромеды
300 000 000 пк — масштабы в которых Вселенная практически однородна
4 000 000 000 пк (4 гигапарсек) – край наблюдаемой Вселенной. Это расстояние прошел свет, регистрируемый на Земле. Сегодня объекты, излучившие его, с учетом расширения Вселенной, расположены на расстоянии 14 гигапарсек (45,6 млрд. световых лет).

‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Расстояния в космосе» title=»Расстояния в космосе»>

Парсек, световой год, а.е. Как не запутаться в терминах?

Иногда кажется, что некоторые понятия и термины очевидны практически каждому. Поэтому когда в беседе «всплывает» очередной термин и тебя спрашивают «а сколько это?», удивляешься и начинаешь объяснять.

С другой стороны, зачем удивляться? Человек не обязан быть специалистом во всех сферах!

Но чтобы громкие газетные заголовки не вводили в заблуждение, базовыми понятиями лучше владеть.

«Рядом с нами на расстоянии всего в 10 парсек открыта похожая на Землю планета».

Громкий заголовок, который говорит: 10 парсек — буквально рядом!

Но насколько это «рядом»? Давайте разберемся и изучим три наиболее распространенные меры расстояний в космосе.

1. Астрономическая единица (а.е, в международной терминологии au)

Как и многие «меры» сложилась исторически и лишь недавно была привязана в к международной системе единиц.

Почти всю историю с момента появления понятия «а.е» астрономической единицей считалось расстояние, равное большой полуоси орбиты Земли. Данное расстояние постоянно уточнялось, пока в 2012 году его не решили зафиксировать и приняли равным 149 587 870 700 метрам.

Таким образом, астрономическая единица — это почти сто пятьдесят миллионов километров!

Много? Вроде бы да, ведь автомобилю, движущемуся со скоростью 80 км/час необходимо более двухсот лет, чтобы преодолеть такое расстояние.

С развитием наблюдательной астрономии и ростом глубины проникновения нашего взора во Вселенную становилось очевидно: а.е. слишком мала, как следствие не очень удобна в качестве меры расстояний.

Поэтому появились большие меры.

2. Световой год

Максимальной скоростью в вакууме обладает свет. И составляет она 299 792 458 метров в секунду.

Световой год — расстояние, которое свет в вакууме проходит за год. (Если быть более точным, то расстояние, которое электромагнитные волны проходят в вакууме без воздействия гравитационных полей за один юлианский год)

Таким образом световой год — это приблизительно 9 460 730 472 580 800 метров , то есть более 63000 астрономических единиц или около 13,5 миллионов лет путешествия на автомобиле.

Но в профессиональной среде световым годом как единицей измерения пользуются редко обычно его применяют в научно-популярной литературе и в СМИ.

Для оценки больших расстояний астрономы используют третью популярную единицу измерения и соответствующие приставки к ней (кило- мега-).

3. Парсек

Наиболее используемая в астрономии единица измерения для оценки больших расстояний.

И, к сожалению, наиболее сложная для понимания без соответствующей подготовки.

Сам парсек, как единица измерения, естественным образом вытек из одного из наиболее старых методов измерения расстояний в астрономии — метода тригонометрических параллаксов (само название составлено из «параллакс» и «секунда»).

Определение так и звучит: парсек равен расстоянию до объекта годичный тригонометрический параллакс которого равен одной угловой секунде.

В последствии понятие уточнили, а в 2015 определили как 648000 деленное на число Пи и умноженное на одну а.е.

Источник

Единицы измерения расстояний вселенной