Световой год, парсек, астрономическая единица - о космических расстояниях просто и понятно

Один световой год уносит вас в космос на расстояние 6 триллионов миль. Световой год - это единица, обозначающая расстояние от Земли до объектов в космосе. Но как он появился и как он помогает нам в космических путешествиях?

Много текста и 4 картинки via

В нашей Солнечной системе Сатурн - самая далекая от Земли планета, которую можно увидеть невооруженным глазом. И если он будет разрушен астероидом во время наблюдения за ним (с помощью телескопа или без него), эта окольцованная планета будет оставаться видимой для наблюдателя примерно в течение 80 минут, даже после того, как она разлетится на кусочки. Это объясняется тем, что среднее расстояние между Сатурном и Землей составляет 0,00015 световых лет, а это значит, что свету от Сатурна потребуется примерно 80 минут, чтобы достичь Земли.

Таким образом, если какая-либо звезда, которую вы наблюдаете находится на расстоянии 100 световых лет от Земли, то вы следите в телескоп не за ее текущим состоянием, а за тем, какой звезда была 100 лет назад. Именно поэтому телескоп иногда называют астрономической машиной времени. Измерение астрономических расстояний в милях или километрах нецелесообразно из-за огромных размеров и масштабов используемых цифр. Измерение в световых годах также позволяет астрономам заглянуть в прошлое. Поскольку свету требуется стандартное количество времени, чтобы добраться до наших глаз, все, что мы можем увидеть в космосе, уже произошло. Поэтому, когда вы наблюдаете что-либо на расстоянии ровно двух световых лет, вы видите его таким, каким оно было ровно два года назад.

Что такое световой год?

Скорость света - это константа. В вакууме свет распространяется со скоростью 670 616 629 миль в час (1 079 252 849 километров в час). За один земной год, длящийся 364,25 дня (8 766 часов), свет проходит расстояние в 5 878 625 370 000 миль (9,5 трлн км). Это расстояние называется световым годом.

Поскольку расстояния между космическими телами в основном исчисляются миллионами и миллиардами километров, потребовалась более удобная единица измерения, чтобы было проще выражать такие большие расстояния, и это привело к тому, что в качестве единицы измерения астрономических расстояний стал использоваться световой год.

Как следует из самого названия, световой год (в множественном числе световых лет) - это единица измерения расстояния. Одно из распространенных заблуждений относительно светового года заключается в том, что некоторые считают его единицей времени, что в корне неверно. Световой год обычно используется для выражения расстояния между Землей и небесными телами за пределами нашей Солнечной системы.

Скорость света и открытие светового года

Для того чтобы ученые правильно вычислили световой год, им было важно знать значение скорости света. Древнегреческие философы расходились во мнениях относительно природы скорости света. Философ Эмпедокл считал, что свет движется и поэтому должен иметь скорость движения. Аристотель, напротив, утверждал, что свет мгновенен.

В середине 1600-х годов Галилео Галилей провел эксперименты по определению скорости света с помощью людей, расположившихся на холмах на расстоянии около мили друг от друга и державших в руках фонари. Но расстояние было недостаточно большим, чтобы зафиксировать его скорость, в результате чего был сделан вывод, что свет распространяется быстрее звука.


Расстояние от Солнца до различных ближайших звезд в световых годах. Источник: atlasoftheuniverse.com/Wikimedia Commons

В 1676 году датский астроном Оле Рёмер, пытаясь создать надежные астрономические часы для моряков в море, случайно придумал новую оценку скорости света. Он использовал наблюдения за затмениями луны Юпитера, Ио, чтобы оценить скорость света в 124 000 миль в секунду (200 000 километров в секунду).

Однако она отличалась от известной нам сегодня скорости света (299 792 км/с), но эта аномалия возникла не потому, что метод Рёмера был несовершенен, а из-за того, что в то время не был известен реальный диаметр Земли (12 742 км). Позже голландский математик Христиан Гюйгенс рассчитал скорость света как 220 миллионов миль в секунду (гораздо ближе к реальной), применив истинное значение диаметра Земли в расчетах Рёмера.

В 1729 году английский астроном Джеймс Брэдли выдвинул свою теорию относительно аберрации света (изменение направления распространения света ) перед Королевским обществом. В своем исследовании он оценил скорость света в 185 000 миль в секунду (301 000 км/с), что находится в пределах примерно 1% от известной нам сегодня величины.

Две различные попытки, предпринятые в середине 1800-х годов французскими физиками Ипполитом Физо и Леоном Фуко, приблизились к скорости света примерно на 1 000 миль в секунду (1 609 километров в секунду).

В 1879 году физик Альберт А. Майкельсон с помощью зеркал и линз измерил скорость света, которая составила 186 355 миль в секунду (299 910 км/с). Сорок лет спустя он использовал трубы длиной в милю, находящиеся под давлением, пытаясь создать условия, близкие к вакууму, и получить более точное измерение, которое было лишь немного меньше, чем существующее сегодня.

В 1838 году немецкий физик Фридрих Вильгельм Бессель использовал значение скорости света для измерения расстояния между Землей и бинарной звездной системой 61 Лебедя AB. Хотя он не упоминал слово "световой год", он объяснил, что свету потребуется 10,3 года, чтобы добраться от 61 Лебедя AB до Земли. Это был первый случай, когда физик использовал световой год в качестве меры расстояния, поэтому Бесселя также считают человеком, открывшим световой год.

Впервые термин "световой год" был упомянут в 1851 году в немецком издании под названием Lichtjare. К тому времени, когда Эйнштейн разработал теорию специальной относительности (E=mc2), утверждающую, что свет всегда движется с конечной скоростью, световой год уже стал популярной единицей измерения астрономических расстояний среди ученых.

Световой год. Астрономическая единица. Лунное расстояние. Парсек

Помимо светового года, существуют и другие единицы, такие как астрономическая единица (AU), лунное расстояние (LD) и парсек (pc), которые используются для измерения расстояния между различными объектами в космосе. В астрономии лунное расстояние, или расстояние между Землей и Луной, - это средняя полуось геоцентрической лунной орбиты. Оно составляет приблизительно 400 000 км, то есть четверть миллиона миль, или 1,28 световых секунд. Лунное расстояние обычно используется для выражения расстояния до сближающихся с Землей объектов.

Астрономическая единица (AU) равна среднему расстоянию от центра Земли до центра Солнца.

Лунное расстояние и астрономические единицы используются для выражения расстояния между объектами внутри нашей Солнечной системы, в то время как световой год и парсек используются для измерения расстояний за пределами нашей Солнечной системы (например, расстояния между галактиками).

Парсек - это расстояние, на котором радиус земной орбиты составляет угол в одну секунду дуги (угол образуется дугой, когда два ее луча проходят через конечные точки этой дуги). Таким образом, параллакс звезды, находящейся на расстоянии одного парсека, (угловая разница в направлении небесного тела, измеренная из двух точек на орбите Земли) составляет одну секунду. Один световой год равен 63 241 AU, а один парсек равен 3,26 ly или 206 265 AU.

Некоторые интересные факты о световых годах

Световой год можно разделить на световые часы, световые минуты, световые секунды и даже световые наносекунды. Например, свету от Солнца требуется восемь минут, чтобы достичь Земли, что также означает, что Солнце находится на расстоянии восьми световых минут от Земли. Вот несколько интересных фактов, связанных со световыми годами:

Космический зонд "Вояджер-1", запущенный NASA в 1977 году, передал сигнал в ноябре 2021 года с расстояния 21,31 светового часа (14,45 миллиарда миль). Это самое дальнее расстояние, которое преодолел в космосе любой искусственный объект.

Ближайшая к Млечному пути (нашей галактике) карликовая галактика Большой Пёс находится на расстоянии 25 000 световых лет от Солнца. Карликовая эллиптическая галактика Стрелец находится на расстоянии 70 000 световых лет от Солнца. Самая удаленная от Земли известная галактика называется GN-z11, она была обнаружена телескопом Хаббл в 2016 году в созвездии Большой Медведицы и на тот момент считалось, что она находится на расстоянии 13,4 миллиарда световых лет от Земли, или 134 нониллиона километров (это 134 и 30 нулей).

Радарная система, использующая радиоволны для обнаружения летящего самолета, измеряет время в наносекундах, чтобы определить, насколько далеко находится цель, поскольку радиоволны распространяются со скоростью света. Наносекунда равна одной миллиардной части секунды. Свет проходит 1 фут (30 см) за наносекунду.

Недавно NASA заявило, что его зонд Parker Solar "коснулся Солнца". Он также считается самым быстрым из искусственных объектов в космосе и, как ожидается, достигнет скорости 430 000 миль в час (690 000 километров в час). Этого достаточно, чтобы добраться из Филадельфии в Вашингтон, округ Колумбия, менее чем за секунду.

Великий американский астроном Эдвин Хаббл однажды сказал: "Поиск будет продолжаться, это стремление старше истории, оно не утолено и не будет подавлено". Освоение космоса тоже можно рассматривать как поиск того, что находится за пределами Земли и звезд. Будучи единицей измерения расстояния, световой год также напоминает нам о том, насколько огромна Вселенная и как много человечеству и науке еще предстоит узнать.