Опасность летит из космоса: Удастся ли NASA сбить астероид и спасти человечество
Космическому аппарату предстоит удариться в глыбу и разбиться вдребезги. Но, по расчётам, силы столкновения должно хватить на то, чтобы отклонить траекторию массивного объекта.
Эти снимки были сделаны в 20-х числах ноября 2003 года. Объект, что покрупнее, — астероид Дидим (Didymos) диаметром примерно 780 метров, а над ним — его собственная 160-метровая луна — Диморф (Dimorphos). Спутник вращается вокруг старшего брата по орбите радиусом чуть больше километра и совершает один оборот за 11 часов 55 минут.
Эта парочка обитает на околосолнечной, слегка вытянутой орбите, и её год длится больше двух земных лет, а именно 770 суток. За это время двойной астероид пересекает пути Марса и Земли, притом к орбите нашей планеты подходит как бы по касательной, довольно долго пролетая рядом с ней и по космическим меркам чуть ли не соприкасаясь. Хотя даже в это время Землю и Дидим разделяют миллионы километров. К примеру, в 2003-м между ними было больше семи миллионов километров, и это был момент сближения. Для сравнения: это раз в 18–19 дальше Луны.
И тем не менее по классификации NASA принято считать потенциально опасным всё, что больше 140 метров и приближается на расстояние в 7,4 миллиона километров или ближе. Так что, казалось бы, сравнительно скромный и далёкий Диморф по этим параметрам очень даже годится для записи в чёрный список. А может быть, в красный. На сегодняшний день в нём в районе двух тысяч наименований. И это лишь известные опасные астероиды, и нельзя исключать, что ещё некоторое их количество мы пока просто не видим. По мере развития техники уверенности на этот счёт почему-то не прибавляется, и человечество всё более усердно мысленно готовит себя к разного рода неожиданностям, в данном случае к тому, что нечто многокилометровое откуда ни возьмись явится, и в запасе будет каких-то несколько лет для того, чтобы подготовиться, и желательно не только мысленно, а всё-таки хоть что-нибудь предпринять.
Европейское космическое агентство
Самое логичное — попробовать его сбить: ударить как следует и таким образом перенаправить куда-нибудь подальше от нас. Космический бильярд. Именно ради подготовки к этой судьбоносной партии в NASA и запустили проект DART – Double Asteriod Redirection Test. Попытка перенаправить двойной астероид. Суть в том, чтобы на ракете-носителе запустить в космос зонд весом в 555 килограммов. Коробку размером 120 на 120 на 130 сантиметров, нашпигованную техникой и с двумя солнечными батареями по 8,5 метра каждая. Всё для того, чтобы успешно добраться до системы Дидим. На это потребуется чуть меньше года.
По текущим планам старт намечается на 24 ноября 2021 года. Кстати сказать, ракетой-носителем будет Falcon 9, так что Илон Маск оказался причастен к миссии, конечная цель которой — спасение человечества. В качестве мишени выбран Диморф. Почему вообще решили потренироваться именно на этой астероидной системе: во-первых, всё-таки довольно близко, а во-вторых, очень удобно лететь — для выхода на нужную траекторию с околоземной орбиты требуется даже меньшее изменение скорости, чем для полёта на Луну. Так вот, 2 октября 2022 года зонд должен добраться до Диморфа и благополучно врезаться в него на скорости 6,6 километра в секунду. Естественно, коробочка разлетится в ничто, а на 160-метровом космическом теле останется лишь небольшой кратер. Когда смотришь анимацию этого мероприятия, невольно возникает ощущение, что этой махине какая-то крохотная машинка в принципе не может причинить ровным счётом ничего.
Но сухая математика говорит, что скорость движения астероида-спутника по своей орбите должна увеличиться на 0,4 миллиметра в секунду, и это изменит саму траекторию — приведёт к тому, что Диморф будет делать оборот вокруг Дидима минут на десять быстрее. Самый важный ожидаемый результат — отклонённый путь движения тела. Просчитано практически всё, за исключением разве что одного: учёные не совсем понимают, насколько пористая структура у Диморфа, а от этого довольно многое зависит.
Европейское космическое агентство
Ударом зонда об камень с его поверхности выбьет целую россыпь осколков. Через какое-то время они упадут на Землю метеоритным дождём. Если человечеству доведётся проделать всё это взаправду, то есть сбить в космосе грядущий апокалипсис, то вызванный этим звездопад станет салютом победы.
Почему расстояния в космосе измеряются не в километрах, а в световых годах и парсеках?
Любители понаблюдать за звездами и почитать упоительные истории о далеких планетах, наверняка обращали внимание на расстояние до них, выраженное либо в парсеках, либо в световых годах.
Сколько это в километрах? Зачем появились такие единицы измерения и как их высчитывают?
Расстояние от нашей планеты до Луны составляет 384 тысячи км, до Солнца – 150 млн. км, до Нептуна – 4.6 млрд. км.
В пределах нашей Солнечной системы такие цифры относительно понятны и читаемы. Однако, что если заглянуть подальше?
Расстояние от Земли до Бетельгейзе – яркой звезды в созвездии Ориона, которая намеревается взорваться, достигает 8 квадриллионов км. Это цифра с 15-ю нулями.
Самая далекая галактика от нас – UDFj. Её обнаружили в 2011 году. Расстояние до неё невозможно вообразить. Она дальше Бетельгейзе в 13 млрд. раз. Записать такую цифру на бумаге и попробовать провести математические вычисления практически не реально.
Поэтому ученые придумали 3 величины – астрономическую единицу, световой год и парсек. Они нагляднее выражают космические расстояния и удобнее в вычислениях.
Астрономическая единица (а.е.)
Величина равна радиусу орбиты Земли вокруг Солнца.
Учитывая, что орбита у нас эллиптическая, а не идеально круглая, то берется среднее расстояние от поверхности планеты до поверхности светила. Это те самые 150 млн. км. Более точное значение – 149,597,870,700 метров.
Такая единица используется при рассмотрении относительно малых астрономических расстояний.
Это расстояние, которое преодолел луч света за год.
В секунду свет преодолевает 300 тысяч км (точно 299 792 км). Это абсолютная величина. Быстрее двигаться никто и ничто не способно.
В километрах световой год равен 9,460,730,472,580. В астрономических единицах – 63241.
Для сравнения, расстояние до ближайшей звезды Проксимы Центавры 4.2 световых года – 39,735,067,984,836 км.
Чем дальше расстояние до звезды, тем она для нас старше. Каждую звездочку на ночном небе мы видим в таком виде, в котором она была многие тысячи лет назад.
Расстояние до объекта, равное годовому тригонометрическому параллаксу (смещению объекта) на одну угловую секунду.
Если представить прямоугольный треугольник, где один катет равен одной астрономической единице, а противолежащий угол равен одной угловой секунде (1° разделить на 3600), то второй катет как раз будет равняться одному парсеку.
Один парсек равен примерно 3.2 световым годам, 206 тысячам а.е. или 30,274,337,512,256 км.
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.
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.
Все когда-либо путешествовали, затрачивая конкретное время на преодоление пути. Какой же бесконечной казалась дорога, когда она измерялась сутками. От столицы России до Дальнего Востока – семь дней езды на поезде! А если на этом транспорте преодолевать расстояния в космосе? Чтобы добраться до Альфа Центавра поездом потребуется всего-то 20 млн. лет. Нет, лучше на самолёте – это в пять раз быстрее. И это до звезды, находящейся рядом. Конечно, рядом — это по звёздным меркам.
Расстояние до Солнца
Расстояния до ближайших объектов
Мы мало задумываемся о расстояниях, когда смотрим прямые трансляции из дальних уголков земного шара. Телевизионный сигнал приходит к нам практически мгновенно. Даже с нашего спутника, Луны, радиоволны долетают до Земли за секунду с хвостиком. Но стоит заговорить об объектах более дальних, и тотчас приходит удивление. Неужели до такого близкого Солнца свет летит 8,3 минуты, а до ледяного Плутона – 5,5 часов? И это, пролетая за секунду почти 300 000 км! А для того, чтобы добраться к той же Альфе в созвездии Центавра, лучу света потребуется 4,25 года.
Даже для ближнего космоса не совсем годятся наши, привычные, единицы измерения. Конечно, можно проводить измерения в километрах, но тогда цифры будут вызывать не уважение, а некоторый испуг своими размерами. Для нашей Солнечной системы принято проводить измерения в астрономических единицах.
Теперь космические расстояния до планет и других объектов ближнего космоса будут выглядеть не так страшно. От нашего светила до Меркурия всего 0,387 а.е., а до Юпитера – 5,203 а.е. Даже до самой удалённой планеты – Плутона – всего 39,518 а.е.
До Луны расстояние определено с точностью до километра. Это удалось сделать, поместив на его поверхность уголковые отражатели, и применив метод лазерной локации. Среднее значение расстояния до Луны получилось 384 403 км. Но Солнечная система простирается гораздо дальше орбиты последней планеты. До границы системы целых 150 000 а. е. Даже эти единицы начинают выражаться в грандиозных величинах. Тут уместны другие эталоны измерений, потому что расстояния в космосе и размеры нашей Вселенной – за границами разумных представлений.
Средний космос
Быстрее света в природе ничего не бывает (пока не известны такие источники), поэтому именно его скорость была взята за основу. Для объектов, ближайших к нашей планетной системе, и для удалённых от неё, принят за единицу путь, пробегаемый светом за один год. До границы Солнечной системы свет летит около двух лет, а до ближайшей звезды в Центавре 4,25 св. года. Всем известная Полярная звезда расположилась от нас на удалении в 460 св. лет.
Каждому из нас мечталось отправиться в прошлое или будущее. Путешествие в прошлое вполне возможно. Нужно лишь взглянуть в ночное звёздное небо – это и есть прошлое, далёкое и бесконечно далёкое.
Наша галактика имеет размер в поперечнике 100 000 св. лет, а толщину около 1 000 св. лет. Представить такие расстояния невероятно трудно, а оценить их практически невозможно. Наша Земля, вместе со своим светилом и другими объектами Солнечной системы, обращается вокруг центра галактики, за 225 млн. лет, и делает один оборот за 150 000 св. лет.
Дальний космос
Также для определения расстояний по яркости используют сверхновые звёзды, туманности или очень большие звёзды классов сверхгигантов и гигантов. Посредством этого способа реально вычислять космические расстояния до объектов, расположенных не далее 1000 Мпк. Например, до ближайших к Млечному Пути галактик – Большого и Малого Магеллановых Облаков, получается соответственно 46 и 55 Кпк. А ближайшая галактика Туманность Андромеды окажется на удалении 660 Кпк. Группа галактик в созвездии Большая Медведица отстоит от нас на 2,64 Мпк. А размер видимой вселенной 46 миллиардов световых лет, или 14 Гпк!
Измерения из космоса
Для повышения точности измерений в 1989 году стартовал спутник «Гиппарх». Задачей спутника было определение параллаксов более 100 тысяч звёзд с миллисекундной точностью. В результате наблюдений, были вычислены расстояния для 118 218 звёзд. В их число вошли больше 200 цефеид. Для некоторых объектов изменились ранее известные параметры. Например, рассеянное звёздное скопление Плеяды приблизилось – вместо 135 пк прежнего расстояния получилось всего 118 пк.
Объекты в космосе ближе, чем они кажутся: как Земля оказалась на 2000 световых лет ближе к черной дыре
Японские астрономы заново рассчитали расстояние от Земли до центра Галактики (и, следовательно, обосновавшейся там сверхмассивной черной дыры). В результате наша планета придвинулась к этому загадочному объекту на 2000 световых лет. Повода для паники нет, — землянам ничего не угрожает, — зато есть повод для оптимизма: теперь ученые будут лучше представлять себе, что происходит с этой огромной черной дырой.
Космические треугольники
У астрономов есть целый арсенал «линеек», которыми можно дотянуться до звезд. Первая и самая надежная из них — метод параллакса. Вот как он работает: заметим направление на отдаленный объект, — к примеру, высотное здание, — а потом переместимся на известное нам расстояние и посмотрим, на какой угол сместится объект. Этот угол и называется параллаксом, и чем дальше наш ориентир, тем угол будет меньше при заданном расстоянии смещения. Зная, на сколько метров мы передвинулись и на сколько градусов сместился объект в поле зрения, можно точно вычислить расстояние до него.
Это задача из геометрии, а не из физики, и именно за это метод параллакса так ценят астрономы: от них не требуется делать никаких предположений о природе наблюдаемого объекта и тех процессах, которые там происходят, а достаточно просто решить задачу с треугольниками. Поэтому такой метод измерения расстояний и считается самым надежным.
Однако небесные тела слишком далеки, чтобы перемещения по поверхности нашей планеты заметно меняли угол зрения. Поэтому астрономы используют движение Земли по своей орбите, радиус которой 150 млн км. Но даже при такой огромной базе отдаленные небесные тела смещаются в поле зрения едва заметно, и необходимы очень точные измерения.
Новые карты дома
В работе, о которой идет речь, исследователи определяли расстояния до космических мазеров. Эти объекты представляют собой своего рода природные лазеры, только испускающие не свет, а радиоволны. Чтобы точнее измерить их параллакс (смещение в небе), ученые использовали интерферометр.
Интерферометр — это система из нескольких удаленных радиотелескопов. Она работает как один инструмент с огромным разрешением (способностью различать тонкие детали). Подобные схемы используются уже много десятилетий. Например, именно с помощью такой сети в 2019 году было поучено первое изображение черной дыры. В числе многих интерферометрических проектов есть и системы, занятые измерением расстояний методом параллакса. Среди них японский проект VERA, который и получил новые данные о том, где мы находимся во Вселенной.
Ученые объединили в сеть несколько телескопов, разбросанных по Японскому архипелагу. По разрешению такая система подобна огромной антенне диаметром 2300 километров. Такие параметры позволяют разглядеть с Земли монету в лунном кратере.
С помощью получившейся сети астрономы измерили расстояния до 99 мазеров, разбросанных по галактике. Получившиеся результаты были опубликованы в апреле 2020 года в журнале Publications of the Astronomical Society of Japan. Теперь исследователи объединили эти сведения с данными других научных групп, чтобы заново рассчитать местоположение Солнца относительно центра Галактики.
Международный астрономический союз в 1985 году установил официальное расстояние от Земли до центра Млечного Пути: 27700 световых лет. По данным новых измерений, оно почти на 2000 световых лет меньше: 25800 световых лет.
Это все еще слишком далеко, чтобы центральная черная дыра Галактики представляла для Земли какую-нибудь угрозу. Практический смысл этой научной работы в другом: точное знание дистанции поможет астрономам рассчитывать энергию вспышек и других процессов, происходящих со сверхмассивной черной дырой. Так что исследователи смогут лучше изучить этот таинственный объект, за открытие которого, кстати, присуждена Нобелевская премия по физике 2020 года.
Обновились и данные о движении Солнечной системы. Оказывается, Солнце вместе с Землей летит по орбите вокруг центра Галактики со скоростью 227 км/с, что на 7 км/с больше, чем считалось ранее. Для сравнения заметим, что скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца примерно в восемь раз меньше.
Отметим во избежание недоразумений, что притяжение центральной черной дыры не имеет никакого отношения к орбитальному движению Солнца вокруг центра Галактики. Масса этого объекта (четыре миллиона солнечных) хоть и огромна, но несопоставимо меньше массы всего Млечного Пути с его сотнями миллиардов солнц. Таким образом, это Галактика диктует условия своей сверхмассивной черной дыре, а не наоборот.
В будущем астрономы собираются построить еще более подробную карту Млечного Пути. Для этого проект VERA вольется в сеть EAVN, объединяясь с телескопами Китая и Южной Кореи.
Космическая «гонка» миллиардеров: на что делают ставку Маск, Безос и Брэнсон
Космическая «гонка» миллиардеров: на что делают ставку Маск, Безос и Брэнсон
