Космические дистанции: просто о сложном

Когда речь заходит о тех или иных далёких космических объектах у непосвященного в астрономия человека часто возникает вполне закономерный вопрос: откуда астрономы, астрофизики и космологи  знают расстояние до объекта наблюдения и как его определить? Cегодня я расскажу о том, как астрономы измеряют расстояния до других объектов космоса и какие системы измерений они используют для расчётов.

Астрономические единицы

На заре астрономии дистанции до космических тел мерили в километрах и иных привычных большинству населения Земли единицах измерения. Но когда люди осознали, что они и их мир не центр мироздания и что космос гораздо больше, чем кажется, измерять космическое расстояние привычными нам величинами стало крайне неудобно. Тогда звездочётами была придуманы иные, специальные единицы. Самой первой космической мерой стала Астрономическая единица.

 Астрономической единицей (русское обозначение: а.е.; международное: с 2012 года — au: в более старых источниках использовалось обозначение ua) называют среднее расстояние между центрами Земли и Солнца. Она является той величиной, при помощи которой каждый человек сумеет наглядно представить себе, на каком расстоянии удалён тот или иной космический объект. 

Например: Земля 1 а.е, Меркурий 0.387 а.е , Сатурн 9.58 а.е, первая планета  системы  CoRoT-7  удалена от своего светила всего на 0.0172 а.е, а звёздную пару, состоящую из похожих друг на друга звезд-гигантов системы Капелла, разделяет 0.056 астрономических единиц.

Несмотря на всю удобность, наглядность и относительную простоту вычисления, астрономическая единица как величина измерений мало где применяется в профессиональной астрономии. Данную величину применяют только при измерении расстояний для планет Солнечной системы, экзопланет и различных звёздных систем. Если же взять особо отдаленные объекты и попробовать обозначить расстояние до них в астрономических единицах, то число получится настолько большим, что им попросту будет неудобно оперировать при проведении тех или иных  математических расчетов. Поэьтому Для определения расстояний к далеким космическим объектам в наблюдаемой Вселенной учёными используется другие величины

Световой год и парсек

Для того чтобы измерить то или иное расстояние до звезды туманности и прочих объектов глубокого космоса астрономы чаше всего используют

.Световой год(русское обозначение: св.лет.; международное:  ly) – это расстояние, которое свет проходит за год. Расстояние до близких звезд ученые получают по их ежегодномупараллаксу (о нем вы узнаете чуть ниже) или при помощи анализа орбит двойных, кратных звёздных систем.

Для более далёких объектов астрономы прибегают к различным косвенным методам. В большинстве случаев используются объекты, называемые "стандартными свечами". В качестве таких "свеч",  ученым изучающим Вселенную, служат различные переменные звёзды, такие как цефеиды и переменные RR Лиры. Они привлекательны для астрономов тем, что у них стабильно и периодично изменяется светимость. Из-за этого ценного свойства их так же иногда красиво величают "маяками Вселенной". Измеряя переменность блеска цефеиды, можно точно определить размеры звезды и их изменения в ходе пульсаций.

Ученым удалось определить взаимосвязь периода переменности цефеид и их светимости: чем больше период переменности, тем больше энергии цефеида излучает в пространство за единицу времени. Вычислив мощность излучения регулярной переменной звезды по зависимости "период–светимость", можно определить расстояние до цефеиды. А если она входит в состав звёздной/планетной системы, звездного скопления или галактики, то собственно и расстояние до самих наблюдаемых объектов.

На еще более дальних дистанциях ученые в качестве индикаторов расстояния используют новые и сверхновые, у которых истинная (абсолютная) светимость остается почти всегда постоянной. Сравнивая абсолютную светимость с наблюдаемой, можно получить искомое расстояние до сверхновой или до галактики, где эта сверхновая находится.

Но вернёмся к световому году. Астрономы активно используют световой год, измеряя дистанции до объектов Млечного пути.
Так, например; расстояние от Солнца до системы Альфа Центавра равняется 4.3 световым годам а расстояние от Солнечной системы до Крабовидной туманности – 6300  св. лет.

Увы, световой год не идеален. Эта астрономическая единица измерения интуитивно понятна многим, но она применима в основном только на звёздных расстояниях и ее почти не используют, измеряя дистанции до галактик.

Шутка ли: до знаменитой туманности Андромеды почти 2.5 миллиона световых лет.И тут на помощь астрономам выходит парсек.

Парсек(русское обозначение: пк.; международное: pc)– космическая единица измерения, при помощи которой астрономы чаще всего определяют расстояние к особо отдаленным объектам во Вселенной. 

Слово «парсек» составлено из двух слов: параллакс и секунда. Но не обычная, а угловая.

Как известно, углы измеряются в градусах, каждый из которых делится на 60 частей, каждая из которых делится на 60 секунд.

Параллакс – это смещение космического объекта относительно фона (звездного неба), определяемое положением наблюдателя.

Астрономы имеют дело с тремя видами параллакса – суточным, годичным и вековым. Применительно к парсеку используют годичный параллакс. Определяя его у нужного космического объекта, астрономы вычисляют, каково расстояние от Земли до него.

Для этого нужно построить воображаемый прямоугольный треугольник. Гипотенузой в нём будет расстояние от наблюдаемой звезды до Солнца, а одним из катетов – дистанция от Земли до Солнца (AU). Размер угла в этом треугольнике определяется годичным параллаксом наблюдаемой звезды. А расстояние до звезды, при котором размер этого угла составит одну секунду, называется парсеком.

Любителям астрономии наверняка хорошо известно, что парсек равен 3.2616 световым годам. Данная единица выполняет не только практическую функцию – помогает вычислить расстояние к тому или иному объекту во Вселенной, – но и создает астрономам комфорт при вычислениях. Гораздо проще обозначить расстояние от Солнца до ближайшей звезды в 1.3 пк (обозначение единицы парсек), чем в 40.7 триллионов километров.

Таким образом, придумав парсек, ученые значительно упростили вычислительные процессы в астрономии.
К примеру: дистанция от Солнца до Арктура в парсеках равна 11.3 или 36.7 св. лет. Казалось бы, световой год удобнее - зачем придумывать велосипед? Но если измерить в световых годах расстояние от Солнечной системы до какого-нибудь далекого красного карлика OGLE-2018-BLG-0567L, то окажется, что дистанция уже будет примерно 23000 св. лет, в то время как в парсеках это будет "всего то" около 7000. Получается что парсеком пользоваться удобней с увеличением дистанции.

Но как бы парсек не был хорош, даже такой единицы измерения как  оказалось недостаточно для нужд исследования космоса, и учёные для определения дистанций ввели следующие производные единицы: тысяча парсек - килопарсек (кпк), миллион парсек - мегапарсек (Мпк) и миллиард парсек - гигапарсек (Гпк).

Таким образом, расстояние, которое было предложено преодолеть в советском научно-фантастический мультфильме героям «Тайны третьей планеты», оказывается внушительным – 100 парсек, что равняется 326 световым годам.
Впрочем, современная астрономия знает гораздо более умопомрачительные расстояния.
Например, расстояние до скопления Девы, – ближайшего к Земле скопления галактик, составляет 18 Мпк. И это весьма близкий объект глубокого космоса.

Космологическое смещение

Для оценки удаленности других галактик ученые применяют метод красных смещений.

Красное смещение( она же z) — сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. В какой то степени(хоть это тоже не совсем верно) красное смещение - наглядная демонстрация эффекта Доплера. Представьте, что Вы слышите поезд. Чем дальше он от Вас— тем менее отчетливо Вы его слышите и наоборот. Так работает красное смещение и так же можно описать синее смещение - антиподу красного смещения.

Ученые придумали, как использовать красное смещение на пользу земной науки. Вычисляя значения длин волн и влияние гравитации различных космических объектов они пришли к созданию сложной для неподготовленного человека единице – космологическому красному смещению (z).

Значение z очень сложно получить, так как для этого требуется измерение объекта во всех спектрах и проведение большого количества расчетов. Но оно с лихвой окупает все потраченные на него усилия своим невероятным удобством использования.

Наглядный пример: расстояние до галактики Комета, которая от нас удалена на 3.2 миллиарда световых лет, можно записать как 0.245 z. Другой пример: квазар с самой массивной (196 миллиардов солнечных масс) черной дырой SDSSJ140821.67+025733.2. Дистанция до него составляет 17.5 млрд. св, лет, но в красном смещении это значение составит 2.05 z. 

Посмотрим на ещё более далёкие расстояния и применим красное смещение к эллиптической галактике [ZZI2017] M1-4023. Дистанция до неё с учётом расширения вселенной 9010 мегапарсек или 29.4 млрд световых лет, а в значении z эта умопомрачительная дистанция будет равняться всего лишь 7.7 единицам. 

Постоянная z из-за чрезмерного удобства активно используется во внегалактической астрономии и космологии. Этой системой единиц измеряют дистанции до межгалактических звёзд и очень далёких галактик, квазаров. Так же космологическое красное смещение (z) иногда бывает единственным инструментом, позволяющим узнать дистанцию до объекта.

Этой сложной, но удобной системой измерений определили дистанцию до GN-z11 - самой далекой известной нам галактики. Дистанция до нее описана в её названии – 11 z или 33.2 млрд св. лет. Космологическое красное смещение – самая масштабная система измерения космических расстояний на данный момент. Она является самой удобной мерой для галактических/вселенских масштабов. Но ученые не останавливаются и ищут пути как пройти намного дальше радиуса известной Вселенной.

Последним и предложением было поиск линз из загадочной темной материи и использовать их как весьма специфичный телескоп, который бы мог позволить смотреть на объекты с 100 z-1000 z и  более. Для понимания о том насколько это далеко: речь идет о дистанциях более триллионов световых лет!

Кто знает. Может иные вселенные(если они  есть) мы будем мерить в каких то иных, совершенно нам пока непонятных единицах измерений. Но в любом случае это будет совершенно другая история.