Космические расстояния: просто о сложном

Когда речь заходит о тех или иных далёких космических объектах часто возникает вопрос: откуда мы знаем расстояние до объекта наблюдения и как его определить? Cегодня мы расскажем о том, как астрономы измеряют расстояния до других объектов космоса и какие системы измерений они используют для расчётов.

На заре астрономии дистанции до космических объектов мерили в километрах и иных привычных большинству единицах измерения. Но когда люди поняли, что космос гораздо больше, чем кажется, измерять космическое расстояние привычными нам единицамистало почти невозможным – тогда была придуманы иные, специальные единицы. Самой первой космической мерой стала Астрономическая единица.

Астрономической единицей (Astronomical Unit – AU) 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, горячая суперземля CoRoT-7 b 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 и наглядность, астрономическая единица как величина измерений мало где применяется в профессиональной астрономии. Данную величину применяют 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 математических расчетов.

Для определения расстояний к далеким космическим объектам в наблюдаемой Вселенной используется другие величины – световой год и парсек. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за год. Расстояние до близких звезд ученые получают по их ежегодному параллаксу (о нем вы узнаете чуть ниже) или при помощи анализа орбит двойных, кратных звёзд.

Для более далёких обьектов астрономы прибегают к косвенным методам. При этом используются объекты, называемые "стандартными свечами". В качестве таких "свеч" служат переменные звезды, 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 называют "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 по зависимости "период–светимость", можно определить расстояние до цефеиды. А если она входит в состав звёздной/планетной системы, звездного скопления или галактики, то и расстояние до самих этих объектов.

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 (от Солнца до Проксимы Центавра 4 световых года). Расстояние от Солнечной системы до Крабовидной туманности – 6.5 тыс. св. лет.

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

Но световой год не идеален. Эта астрономическая единица измерения интуитивно понятна многим, но она применима в основном только на звёздных расстояниях и ей почти не пользуются, измеряя дистанции до галактик. Шутка ли: до знаменитой туманности Андромеды почти 2.5 миллиона световых лет. И тут на помощь выходит парсек.

Парсек – 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 нужной галактики, астрономы вычисляют, каково расстояние от Земли до неё.

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 какой-нибудь системы 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. Парсеком пользоваться удобней с увеличением дистанции.

Но даже такой единицы измерения как парсек 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 предложили 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.

Для оценки удаленности других галактик ученые применяют метод красных смещений.

Красное смещение — сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может быть выражением эффекта Доплера или гравитационного красного смещения или их комбинацией. 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.

Синее и красное смещения - по сути наглядная визуализация метода Доплера. Ученые придумали, как использовать красное смещение на пользу 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: возьмем 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.