Земля

Перевод Мы понятия не имеем, что делает планеты потенциально обитаемыми

04.12.2020 16:09:39 |

Автор: admin

Экзопланета Kepler-452b (справа) по сравнению с Землёй (слева). Изучать планеты, похожие на Землю, имеет смысл. Но может оказаться, что они не будут самыми вероятными кандидатами на обнаружение жизни в нашей Галактике или во Вселенной вообще.

Одна из наиболее захватывающей целей из тех, что поставило перед собой человечество найти внеземную жизнь. Биологическую активность, появившуюся и не прекращающуюся на каком-нибудь мире за пределами Земли. Эту возможность подпитывает не только наше воображение. У нас полно непрямых свидетельств, определяющих другие потенциальные места, где могла бы появиться жизнь. Появиться в результате процессов, похожих на те, что происходили в прошлом Земли. Если сравнить существующие условия с тем, что, по нашему мнению, требуется жизни, предположения становятся осмысленными.

Рассуждать о том, сколько вообще может быть потенциально обитаемых планет в Солнечной системе, в Млечном пути, в местной группе галактик, или даже в обозримой Вселенной занятие интересное. Однако нужно честно описать предположения, используемые для получения этих оценок. Все они отражают наше невежество, и самый неприятный факт, который невозможно игнорировать: единственное место во всей Вселенной, где мы с определённостью знаем о появлении жизни это наша планета. Всё остальное лишь догадки. Если быть абсолютно честными с самими собой, приходится признать, что мы понятия не имеем, что делает планеты потенциально обитаемыми.

Иллюстрация молодой солнечной системы в конце фазы формирования протопланетного диска. Хотя сейчас мы считаем, что понимаем, как сформировались Солнце и Солнечная система, этот ранний вид всего лишь иллюстрация. Сегодня мы можем наблюдать только выживших. На ранних стадиях формирования небесных тел было гораздо больше.

Если бы мы не знали о Вселенной абсолютно ничего, кроме того, что мы живём на планете Земля, и что тут существует жизнь, мы бы всё равно имели право предполагать, что ещё может быть где-то там, далеко. Ведь, в конце концов:

Мы живём на естественным образом сформировавшемся мире.
Он состоит из простых ингредиентов атомов, молекул, и т.п. сформировавшихся естественным путём.
Он вращается вокруг звезды, излучающей энергию относительно стабильным образом миллиарды лет.
Жизнь на нашей планете сформировалась не позднее, чем через несколько сотен миллионов лет после формирования самой Земли.

Вполне разумно предположить, что существует естественное объяснение появления жизни в нашем мире. Тогда, если на других мирах окажутся такие же дружественные условия для жизни, которые на ранних этапах были на Земле, то, возможно, на этих мирах тоже могла бы появиться жизнь. Если правила, управляющие Вселенной, всюду одинаковы, тогда нам нужно лишь открыть и определить миры, где шли те же процессы, что породили жизнь на Земле. И, возможно, исследование этих потенциально обитаемых миров позволит нам обнаружить жизнь и там.

Дерево жизни иллюстрирует эволюцию и развитие различных организмов на Земле. Хотя все мы произошли от общего предка, жившего более 2 млрд лет назад, разнообразие форм жизни произошло благодаря хаотичным процессам. Они не повторятся в точности, даже если мы будем множество раз перематывать часы и снова запускать их.

Это, конечно же, легче сказать, чем сделать. Почему? Тут мы встречаемся с первым великим неизвестным: мы не знаем, как появилась жизнь. Даже если посмотреть на всю совокупность сегодняшних научных знаний, в наиболее важном их месте обнаружится пробел. Мы знаем, как формируются звёзды, как формируются солнечные системы и планеты. Мы знаем, как формируются ядра атомов, как они сливаются в недрах звёзд, создавая тяжёлые элементы, и как эти элементы перерабатываются во Вселенной, участвуя в сложной химии.

И мы знаем, как работает химия: атомы естественным путём связываются, порождая молекулы в большом разнообразии конфигураций. Эти сложные молекулы мы находим по всей Вселенной, от внутренностей метеоритов до выбросов молодых звёзд, от облаков межзвёздного газа до протопланетных дисков, находящихся в процессе формирования планет.

Имея всё это, мы не знаем, как перейти от сложной неорганической химии к настоящему биологическому организму. Проще говоря, мы не знаем, как из не-жизни сделать жизнь.

Чао Хэ объясняет, как работает PHAZER камера для симуляции различных атмосферных условий, установленная в лаборатории Горста в университете Джонса Хопкинса. Органические молекулы и O₂ удалось создать в неорганических процессах, но никто никогда не создавал жизнь из не-жизни.

И в данном случае я не преувеличиваю, говоря, что мы не знаем. Несмотря на:

поиски биологической активности на других планетах Солнечной системы, проходящие на пределе наших возможностей;
спектроскопические снимки атмосфер всех экзопланет, которые мы только можем снимать;
прямые съёмки различных экзопланет за счёт декомпозиции приходящего от них света;
попытки синтезировать жизнь из не-жизни в лабораторных условиях;
поиски признаков наличия технологий у потенциально разумных цивилизаций везде, где мы только можем искать;

у нас нет ни единого свидетельства в пользу существования жизни на любой другой планете, за исключением Земли. Несмотря на все собранные нами косвенные признаки в поддержку возможности возникновения жизни в мириадах различных мест, убедительные доказательства наличия жизни есть только для Земли, и там, куда мы отправили жизнь с Земли.

Вокруг звезды HR 8799 имеются четыре подтверждённые экзопланеты, и любая из них массивнее Юпитера. Все они обнаружены прямым наблюдением на периоде в семь лет, и подчиняются тем же законам планетного движения, что и планеты Солнечной системы законам Кеплера.

Нельзя сказать, что мы ничего не знаем о возможностях существования жизни в других местах. Нам многое известно, и с каждым новым фрагментом информации мы учимся всё больше и больше. Мы, к примеру, знаем, как измерить, подсчитать и разбить на категории звёзды, находящиеся поблизости от нас, в нашей Галактике и даже по всей Вселенной. Мы узнали, что похожие на Солнце звёзды встречаются часто, и что у 15-20% всех звёзд температура, яркость и время жизни сравнимо с тем, что есть у нашего Солнца.

Интересно, что порядка 75-80% звёзд это красные карлики. Их температура и яркость ниже солнечных, а время жизни гораздо больше. Эти системы по многим важным параметрам отличаются от наших: орбиты короче; планеты должны находиться в приливном захвате; нередки звёздные вспышки; звёзды испускают непропорционально большое количество ионизирующей радиации. Однако у нас нет способа оценить, обитаемы ли их планеты так же (или менее, или более обитаемы), как планеты, вращающиеся вокруг звёзд, похожих на Солнце. В отсутствии свидетельств чётких выводов сделать нельзя.

Иллюстрация художника потенциально обитаемой экзопланеты на орбите звезды, похожей на Солнце. За пределами Земли нам ещё предстоит найти первый обитаемый мир. Проект TESS составляет для нас список наиболее вероятных, первых кандидатов на это звание.

Что насчёт выученных нами уроков на основе нашей Солнечной системы? Может, Земля и уникальный мир среди тех, что есть в нашем космическом дворе единственная планета, очевидно покрытая жизнью но, возможно, не единственный мир, на котором жизнь была когда-то или процветает и сегодня.

На поверхности Марса, вероятно, в течение миллиарда лет была жидкая вода, перед тем, как он замёрз могла ли процветать жизнь на нём в древней истории Солнечной системы? Может ли она выжить в подземных резервуарах сегодня?

У Венеры могло быть более умеренное прошлое, и жидкая вода могла присутствовать на её поверхности довольно долгое время. Могла ли она породить жизнь, и могла ли жизнь выжить в венерианских облаках, где условия больше похожи на Земные?

Что насчёт океанов, расположенных под поверхностью покрытых льдом миров, разогреваемых приливными силами Энцелад, Европа, Тритон, Плутон? Что насчёт миров, на поверхности которых есть жидкий метан вместо жидкой воды, например, как у Титана? Что насчёт крупных миров с потенциальным наличием подземной воды, типа Ганимеда?

Пока мы всесторонне не исследуем эти ближайшие миры, мы должны признать своё невежество: мы даже не знаем, насколько заселена Солнечная система.

Глубоко под водой, куда не достаёт свет, вокруг гидротермальных источников Земли процветает жизнь. Один из величайших нерешённых вопросов сегодняшней науки как создать жизнь из не-жизни. Но если жизнь может существовать и там, то, возможно, на дне морей Европы или Энцелада тоже существует жизнь. Научный ответ на эту загадку помогут дать данные в большем количестве и лучшем качестве, которые, вероятно, соберут и проанализируют эксперты.

Как насчёт жизни, существующей или появившейся в межзвёздном пространстве? Многим такая идея покажется притянутой за уши, однако, отследив историю жизни на Земле, мы увидим, насколько сложной она стала с момента своего появления. Сегодня жизнь состоит из десятков тысяч спаренных оснований у нуклеиновых кислот, кодирующих информацию.

И при этом, если посмотреть на базовые ингредиенты, которые мы находим по всей Вселенной, то среди них будут не только простые инертные молекулы. Мы обнаруживаем там такие органические молекулы, как сахара, аминокислоты, этилформиаты: молекулы, придающие запах малине. Мы находим сложные углеродные молекулы полициклические ароматические углеводороды.

Мы даже аминокислот, появившихся естественным путём, нашли больше, чем их участвует в процессах жизнедеятельности на Земле. У нас есть всего 20 активных аминокислот, и все они имеют одну хиральность. Но в одном только мурчисонском метеорите нашли порядка 80 уникальных аминокислот, некоторые из которых леворукие, а некоторые праворукие. Несмотря на успехи жизни на Земле, мы просто не знаем, возможны ли другие пути развития жизни, и насколько они более или менее вероятны.

В мурчисонском метеорите, упавшем на Австралию в XX веке, нашли большое количество аминокислот, не встречающиеся в нашей природе. То, что в обычном космическом камне можно найти более 80 уникальных аминокислот, говорит о том, что где-то во Вселенной могли сформироваться другие ингредиенты жизни, или даже сама жизнь. Возможно даже на планете, не имеющей родительской звезды.

Что насчёт нашего ближайшего окружения? Будет ли больше вероятность возникновения и процветания жизни в звёздных системах, где процент содержания тяжёлых элементов больше (или меньше)? Что насчёт газового гиганта типа Юпитера, расположенного в районе снеговой линии хорошо это, плохо, или ни на что не влияет? Что насчёт нашего местоположения в рамках Галактики особенное оно или обычное? Мы даже не знаем, по каким критериям стоит искать подходящих кандидатов на наличие жизни среди ~400 миллиардов звёзд в нашей Галактике.

И всё равно постоянно встречаются заявления, похожие на то, которое стало вирусным несколько недель назад что в галактике Млечный путь существует 300 млн потенциально обитаемых планет. Подобные заявления делали и раньше, и будут делать ещё много раз, до тех пор, пока у нас не появится следующей осмысленной опорной точки в данных: планеты за пределами Земли, на которой мы найдём убедительные и надёжные признаки наличия биосферы (или хотя бы намёка на её наличие). А до тех пор все подобные заголовки следует рассматривать предельно скептически, поскольку мы очень мало знаем об обитаемости планет для того, чтобы даже обсуждать значение слов потенциально обитаемая.

Если космические телескопы типа Кеплера или TESS будут долго рассматривать различные звёзды, они могут обнаружить периодические колебания светимости. Последующие наблюдения могут подтвердить наличие у них планет, и все данные вместе позволяют нам воссоздать их массы, радиусы и параметры орбит.

И я вовсе не принижаю невероятные успехи, достигнутые нами в области изучения экзопланет. Благодаря комбинации телескопов типа Кеплера или TESS, сверхчувствительных к периодическим изменениям яркости звезды, и крупных наземных телескопов, способных измерять периодические сдвиги спектральных линий в свете звёзд, мы нашли уже тысячи подтверждённых планет у других звёзд. В частности, в лучших случаях мы можем высчитать массу и радиус как планеты, так и звезды, а также температуру звезды и орбитальный период планеты.

Это позволяет нам предполагать о том, какой будет температура поверхности планеты, если у неё есть атмосфера, похожая на Земную. Всё это может звучать разумно, как и попытка приравнять потенциальную обитаемость к её температура такова, что на поверхности может быть жидкая вода, однако это утверждение зиждется на куче предположений, основанных на шатких свидетельствах. На самом деле нам просто нужно получить данные лучшего качества перед тем, как делать осмысленные выводы насчёт обитаемости.

На сегодня нам известно уже более 4000 подтверждённых экзопланет, и 2500 из них мы нашли благодаря данным, собранным телескопом Кеплер. Диапазон размеров у них от больше Юпитера до меньше Земли. И всё же, из-за ограничений по размеру и длительности миссии Кеплер, большинство найденных планет слишком горячие и расположены слишком близко к своим звёздам на небольшом угловом разделении. У TESS была та же проблема с первыми из открытых им планет: в основном они были горячими, и находились близко к звёздам. Планеты с более долгим периодом обращения (например, несколько лет) мы сможем обнаружить только после специальных долговременных наблюдений (или прямых съёмок). На горизонте уже маячат новые обсерватории, и они должны открыть нам новые миры в тех местах, где сейчас у нас зияют пробелы.

В поисках жизни за пределами Земли важно оставаться как честным по отношению к текущему положению дел, так и открытым ко всему, что мы можем обнаружить в будущем. Мы знаем, что на Земле жизнь появилась довольно рано, и с тех пор выжила и процветает. Мы знаем, что если мы ищем планеты с похожими историями, свойствами и условиями, мы, вероятно, найдём близлежащие планеты с похожим уровнем успеха. Это консервативный и в высшей степени разумный способ поиска.

Однако такое мышление ограничено по своей сути. Мы не знаем, не будет ли настолько же (или даже более) вероятным появление жизни на других мирах с другой историей, свойствами и условиями. Мы не знаем, как эти вероятности распределяются среди мириад планет Вселенной. И мы не знаем, каковы шансы на появление сложной, разнообразной, макроскопической или даже разумной жизни после того, как жизнь всё-таки сможет укорениться. Есть все основания полагать, что в других местах Вселенной тоже существует жизнь, и сильная мотивация к её поискам. Но пока у нас не будет лучшего понимания того, где есть жизнь, а где её нет, у нас нет возможности оценивать, сколько потенциально обитаемых миров может существовать.

Подробнее..

Категории: Астрономия , Научно-популярное , Биотехнологии , Жизнь , Экзопланеты , Обитаемость , Земля

Как греки Землю измеряли

14.01.2021 16:09:15 |

Автор: admin

Пост про расчеты расстояния до Солнца подтолкнул к другому тексту о вычислении расстояния до Луны (поскольку эта цифра использовалась Аристархом в расчетах, возник вопрос, а откуда он ее взял). Но уже в комментариях ко второму тексту прозвучал следующий вопрос А теперь можно про радиус Земли подробнее?
Спрашивали, отвечаем. Ну и чтобы два раза не ходить, начну даже не с радиуса, а с того, как греки пришли к выводу, что Земля имеет форму шара, а не диска или сундука (как утверждал позже ученый византиец Козьма Индикоплов).

Этим вопросом озаботились именно греки, в более древних цивилизациях (Вавилон, Египет) небо изучали, и довольно тщательно, пытались предсказать движение небесных тел, а вот вопросом формы Земли не заморачивались.
Трудно сказать, кто из греков первым озвучил идею о том, что Земля это шар, наиболее распространена версия, что Пифагор. Но самый старый письменный трактат с этим утверждением, дошедший до нас (О движущейся сфере), принадлежит другому математику Автолику из Питаны, родившемуся лет на двести позже Пифагора. Правда, это вообще, самый старый античный математический трактат, дошедший до нас. И уже в нем Землю называют сферой. Но там это было подано как некая данность, т.е. Автолик был не первым, кто озвучил эту идею.
А затем его современник, великий Аристотель в трактате О небе подробно обосновал это утверждение. В основном объяснения были философского характера (сферическая Земля неуничтожимый центр космоса и т.п.). Но был и ряд вполне конкретных доказательств. Прежде всего результаты наблюдений за лунными затмениями: у них всегда бывает дугообразная ограничивающая линия. Раз Луна затмевается потому, что её заслоняет Земля, то причина такой формы окружность Земли, и Земля шарообразна, делает вывод Аристотель.
Еще более интересный вывод сделал он из наблюдений за звездами. Для начала философ отметил, что в Египте и в Македонии имеются заметные наблюдателю различия в расположении звезд. И вывел: Из этого ясно не только то, что Земля круглой формы, но и то, что эта сфера невелика: иначе столь незначительные перемещения не вызывали бы столь быстрых изменений.
Ну а дальше, поскольку с формой Земли образованная часть греков определилась, равно как и с тем, что размеры ее не так уж велики, напрашивался следующий шаг измерить Землю.
Перед тем как перейдем к процессу и его результатам, отмечу один нюанс. Мерили греки, как я уже говорил в стадиях, а нюанс в том, что это сейчас километр он и в Африке километр. А тогда системы СИ не было. Всякий стадий составляет 100 пар шагов или 600 ступней, но шаги и ступни в разных системах мер могли несколько различаться: было несколько вариантов стадиев, от 172 до 185 метров (а еще вавилонский вариант стадия, но он нам здесь не интересен). Часто приходится гадать, каким стадием пользовался тот или иной автор. Поэтому, когда мы переводим результаты в привычные километры, то, конечно, рискуем, ошибаться. Но в пределах 6-7%. Для астрономии немало, для истории вопроса терпимо.
Теперь собственно о том, как греки Землю измеряли. Известны два исследования, проделанных с этой целью. Первое осуществил Эратосфен в III веке до нашей эры, второе Посидоний сто с небольшим лет спустя. В обоих случаях греки применили схожий подход, разница была в деталях. Смысл его в следующем: и Солнце, и звезды доступны одновременному наблюдению в разных местах на Земле, но поскольку расстояние до них явно во много раз больше размеров самой Земли, все лучи света, приходящие от них к нам мы можем считать параллельными.
Эратосфен измерил высоту Солнца над горизонтом в полдень летнего солнцестояния в Александрии и в Сиене (Асуане). Почему там? А еще до него, древние египтяне заметили, что во время летнего солнцестояния Солнце освещает дно глубоких колодцев в Сиене (ныне Асуан), а в Александрии нет. Будь Земля плоской, рассуждал Эратосфен, этого не могло бы быть (мы помним лучи параллельны), но она круглая, т.е. искривлена. А Сиена и Александрия находятся на одном меридиане (считал он) на расстоянии 5000 стадиев друг от друга. Значит, стены в Александрии наклонены под некоторым углом по отношению к стенам в Сиене, поэтому в полдень солнцестояния они продолжают отбрасывать некоторую тень.

Эратосфен измерил тень от одного александрийского обелиска, зная также его высоту, он построил треугольник из обелиска и его тени и вычислил, что угол отклонения обелиска от солнечного луча составляет чуть больше 7 градусов. Это означало, что Александрия отстоит по земной окружности от Сиены на 7 градусов. Такой угол 1/50 часть окружности и одновременно упомянутые 5000 стадиев. Значит общая длина окружности 250 000 стадиев, заключил Эратосфен. А рассчитывать радиус, зная длину окружности, греки умели.
Сегодня мы знаем, что расчеты Эратосфена имели ряд серьезных погрешностей: Александрия и Сиена расположены не на одном меридиане, поэтому разница между их параллелями меньше, само это расстояние тоже было измерено приблизительно, со слов караванщиков, да и углы этих городов по направлению к солнечным лучам он измерил с ошибкой. И все же, ему удалось получит результат очень близкий к современным данным (6 371 км). Правда, в зависимости от того, какими стадиями он считал, если греческими, то да, его ответ 6 916 км, а если стадиями египетских фараонов (дело было в Египте и расстояние могло быть указано в них), то его ответ 8 397 км намного больше реального.
Впрочем, Посидоний напутал еще больше. Но он и считал не по тени от Солнца, а по расположению звезды Канопус на небе Александрии и греческого острова Родос, которые разделяли те же 5000 стадий. Но эти точки тоже лежали не на одном меридиане, плюс морские расстояния греки измеряли с гораздо меньшей точностью. В итоге, по его расчетам Земля получилась чуть ли не на треть меньше, чем у Эратосфена.
Да, греки ошибались в расчетах, но главное они сделали придумали метод, как можно измерить размер Земли, не покидая ее поверхности. Дальше дело было за совершенствованием географических данных и измерительных приборов. Ну а греки не остановились и придумали как рассчитать расстояние до Луны и до Солнца.

Подробнее..

Категории: Астрономия , Научно-популярное , Математика , Земля , История науки , Античность , Пифагор

Перевод Как Земля движется в космосе? Теперь мы знаем это во всех масштабах

06.04.2021 20:05:58 |

Автор: admin

В наибольших масштабах движутся не только Земля и Солнце, но и вся Галактика и Местная группа галактик [далее Местная группа], так как невидимые силы притяжения в межгалактическом пространстве должны складываться.

Спросите у учёного наш космический адрес, и вы получите довольно полный ответ. Мы находимся на планете Земля, которая вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Солнце вращается по траектории эллипса вокруг центра Млечного Пути, который внутри нашей Местной группы тянется в сторону Андромеды; Местная группа, в свою очередь, движется внутри нашего космического Сверхскопления Ланиакея, галактическими группами, кластерами и космическими пустотами, а они лежат в войде KBC, посреди структуры Вселенной в широком масштабе. После десятилетий исследований наука наконец-то собрала полную картину этого движения и может точно определить скорость нашего движения в космосе в любом масштабе.

В пределах Солнечной системы вращение Земли играет важную роль в формировании экваториального утолщения, в смене дня и ночи, а также помогает питать защищающее нас от космических лучей и солнечного ветра магнитное поле.

Скорее всего, читая это, вы воспринимаете себя неподвижными. Тем не менее мы знаем, что в космическом масштабе мы движемся. Во-первых, Земля вращается вокруг своей оси и несёт нас сквозь космос со скоростью почти 1700 км/ч относительно кого-то на экваторе. Это число может показаться большим, но по сравнению с другими скоростями нашего движения во Вселенной эта скорость едва заметна. На самом деле в километрах в секунду это не так быстро. Вращаясь вокруг своей оси, Земля сообщает нам скорость всего 0,5 км/с, или менее 0,001 % скорости света. Но есть другие перемещения, и они [в смысле скорости] важнее.

Скорость, с которой планеты вращаются вокруг Солнца, намного превышает скорость вращения любой из них вокруг своей оси, это касается даже самых быстрых планет Юпитера и Сатурна.

Как и все планеты нашей Солнечной системы, Земля движется по орбите Солнца гораздо быстрее скорости вращения вокруг своей оси. Чтобы удержаться на стабильной орбите, мы должны двигаться вправо и со скоростью около 30 км/с. Внутренние планеты Меркурий и Венера движутся быстрее, а внешние (вроде Марса и планет за ним) медленнее. Вращаясь в плоскости Солнечной системы, планеты непрерывно меняют направление своего движения, и Земля возвращается в свою исходную точку через 365 дней. Ну хорошо, почти в исходную точку.

Точная модель движения планет по орбите Солнца, которое движется по Галактике в другом направлении.

Даже Солнце само по себе не статично. Млечный Путь огромен, массивен, и, самое важное, он движется. Все звёзды, планеты, газовые облака, крупицы пыли, чёрные дыры, тёмная материя и многое движутся внутри Млечного Пути и вносят свой вклад в гравитационную сеть. С нашей точки зрения, а мы находимся в около 25 000 световых лет от центра Галактики, Солнце вращается по эллипсу и совершает полный оборот каждые 220250 миллионов лет или около того.

Предполагается, что скорость нашего Солнца на этой траектории составляет 200220 км/с, это довольно много по сравнению как со скоростью вращения Земли, так и со скоростью вращения нашей планеты вокруг Солнца, тогда как оба вращения наклонены относительно плоскости движения нашей звезды вокруг Галактики.

Хотя орбиты Солнца в плоскости Млечного Пути находятся на расстоянии около 2500027000 световых лет от центра, орбитальные направления планет нашей Солнечной системы совсем не выровнены относительно Галактики.

Но сама Галактика не стационарна, она движется из-за гравитационного притяжения всех сгустков сверхплотной материи и, в равной степени, из-за отсутствия гравитационного притяжения от областей с плотностью ниже средней. Внутри нашей Местной группы мы можем измерить нашу скорость в направлении к самой большой, массивной галактики на нашем космическом заднем дворе: Андромеде. Похоже, что оно движется к нашему Солнцу со скоростью 301 км/с, а это означает (учитывая движение Солнца по Млечному Пути), что две самые массивные галактики Местной группы, Андромеда и Млечный Путь, движутся навстречу друг другу со скоростью примерно 109 км/с.

Самая большая галактика в Местной группе, Андромеда, кажется маленькой и незначительной рядом с Млечным Путём, но это из-за её расстояния, составляющего около двух с половиной миллионов световых лет. В настоящий момент она движется к нашему Солнцу со скоростью около 300 км/с.

Местная группа, как бы массивна она ни была, изолирована не полностью. Другие галактики и скопления галактик поблизости притягивают нас, и даже более отдалённые сгустки материи оказывают гравитационное воздействие на Землю. Основываясь на том, что мы можем увидеть, измерить и вычислить, эти структуры, по-видимому, причина дополнительной скорости примерно в 300 км/с, но в несколько ином направлении, чем другие скорости, вместе взятые. И это объясняет часть движения во Вселенной в крупном масштабе, но не всё движение. Кроме того, существует ещё один важный эффект, который был количественно рассчитан только недавно, гравитационное отталкивание космических пустот.

Различные галактики Сверхскопления Девы, кластеризованные и сгруппированные вместе. В самых больших масштабах Вселенная однородна, но если вы посмотрите на неё в масштабе галактик или скоплений, то окажется, что преобладают сверхплотные области и области с плотностью ниже средней.

Для каждого атома или частицы материи во Вселенной, которые собираются в сверхплотной области, существует область некогда средней плотности, потерявшая соответствующее количество массы. Точно так же, как область плотнее средней притягивает, область, плотность которой ниже средней, будет притягивать с силой ниже средней.

Если взять большую область пространства с меньшим, чем в среднем, количеством материи, на практике её сила будет отталкивать, а плотность выше средней, напротив, притягивать. В нашей Вселенной в направлении, противоположном от ближайшей области сверхплотности, пролегает огромная пустота с плотностью ниже средней. Мы находимся между этими двумя областями, поэтому силы притяжения и отталкивания складываются, причём каждая из них вносит в скорость примерно 300 км/с, то есть общая скорость приближается к 600 км/с.

Гравитационное притяжение (синим цветом) сверхплотных областей и относительное отталкивание (красным цветом) областей с плотностью ниже средней, когда они действуют на Млечный Путь.

Сложив все эти движения вместе: вращение Земли вокруг своей оси, её вращение вокруг Солнца, движение Солнца по Галактике, которая направляется к Туманности Андромеды, движение Местной группы, притягиваемой к области сверхплотности и отталкиваемой от областей с плотностью ниже средней, мы получим число, указывающее, как быстро на самом деле мы движемся во Вселенной, в любой момент времени.

Мы обнаружили, что Земля движется со скоростью 360 км/с в каком-то определённом направлении плюс-минус около 30 км/ч в зависимости от времени года и направления. Выводы о скорости Земли подтверждены реликтовым излучением, которое в направлении движения планеты проявляется лучше, а в противоположном направлении ослабевает.

Остаточное свечение от Большого взрыва на 3,36 милликельвина горячее средней температуры в одном направлении (красном) и на 3,36 милликельвина холоднее средней температуры в другом направлении (синем). Это происходит благодаря движению в пространстве в целом.

Если проигнорировать движение Земли, мы обнаружим, что Солнце относительно реликтового излучения движется со скоростью 368 2 километра, затем, если пренебречь движением Местной группы, получится, что Млечный Путь, Андромеда, Галактика Треугольника и все остальные относительно реликтового излучения движутся со скоростью 622 22 км. Эта большая неопределённость, кстати, в основном связана с неопределённостью в движении Солнца вокруг центра Галактики, это самый трудный в смысле измерения компонент.

Относительные притягивающие и отталкивающие эффекты сверхплотных и недостаточно плотных областей Млечного Пути, комбинация которых известна как Дипольный отталкиватель.

Возможно, не существует универсальной системы отсчёта, но есть система, измерения в которой полезны: полезен отсчёт от покоя реликтового излучения, также эта точка отсчёта совпадает с системой отсчёта удаления галактик друг от друга по закону Хаббла. У каждой видимой галактики есть то, что мы называем пекулярной скоростью (или скоростью, превышающей скорость, с которой галактики удаляются друг от друга согласно закону Хаббла), от нескольких сотен до нескольких тысяч км/с, и то, что мы видим, в точности соответствует этому. Пекулярная скорость движения нашего Солнца 368 км/с, а нашей Местной группы 627 км/с прекрасно согласуется с нашим пониманием того, как в пространстве движутся все галактики. Благодаря эффекту дипольного отталкивания теперь мы понимаем, как происходит это движение, во всех масштабах.

В постижении тайн космоса людям точно не обойтись без помощников и именно таким компаньоном может для нас стать искусственный интеллект. Если AI изначально создали для облегчения жизни на Земле, почему бы с его помощью не исследовать космос? Многие компании, включая NASA и Google, уже внедрили ИИ для поиска новых небесных тел и жизни на других планетах и всегда будут рады специалистам в области AI и нейронных сетей. Работать с которыми мы учим на курсах по Machine Learning и его расширенном варианте "Machine Learning и Deep Learning".

На Земле тоже много работы. Узнайте, как прокачаться в других крутых инженерных специальностях или освоить их с нуля:

Другие профессии и курсы

ПРОФЕССИИ

КУРС

Подробнее..

Категории: Астрономия , Научно-популярное , Физика , Блог компании skillfactory , Космос , Движение , Skillfactory , Земля , Закон хаббла , Дипольный отталкиватель

Перевод Квантовый эксперимент с двумя щелями даёт надежду на создание телескопа размером с Землю

16.05.2021 18:12:28 |

Автор: admin

В новом предложении квантовые жёсткие диски будет использоваться для объединения световых потоков от нескольких телескопов, позволяя астрономам создавать оптические изображения с невероятно высоким разрешением.

В эксперименте с двумя щелями фотон проходит сразу через обе щели и интерферирует с собой на другой стороне. Волна представляет возможные положения фотона; белый цвет указывает на места его наиболее вероятного обнаружения. Астрономы надеются представить оптические телескопы как отдельные щели. Представьте, что вы можете видеть поверхность похожей на Землю планеты, вращающейся вокруг другой звезды, или наблюдать, как звезда разрывается чёрной дырой.

Такие точные наблюдения в настоящее время невозможны. Однако учёные предлагают способы квантово-механического связывания оптических телескопов по всему миру, чтобы видеть космос с умопомрачительным уровнем детализации.

Хитрость заключается в переносе хрупких фотонов между телескопами так, чтобы сигналы можно было комбинировать или интерферировать в целях создания гораздо более чётких изображений. Исследователи уже много лет знают, что такой вид интерферометрии возможен при наличии футуристической сети устройств телепортации, называемой квантовым Интернетом. Однако, пока квантовый Интернет это далёкая мечта, в новом предложении излагается схема реализации оптической интерферометрии с использованием квантовых запоминающих устройств, которые сейчас разрабатываются.

Этот подход представлял бы собой следующий этап одержимости астрономов размером. Более широкие зеркала создают более чёткие изображения, поэтому астрономы постоянно проектируют всё более крупные телескопы и раскрывают всё больше деталей космоса. Сегодня они строят оптический телескоп с зеркалом почти 40 метров в ширину, что в 16 раз превышает ширину (и, следовательно, разрешение) космического телескопа Хаббла. Однако возможностям роста зеркал есть предел.

Мы не собираемся строить 100-метровый телескоп с одной апертурой. Это безумие! восклицает Лиза Прато, астроном из обсерватории Лоуэлла в Аризоне. Так каково же будущее? Будущее за интерферометрией.

Телескоп размером с Землю

Радиоастрономы десятилетиями занимались интерферометрией. Первое в истории изображение чёрной дыры, опубликованное в 2019 году, было получено путём синхронизации сигналов, поступивших на восемь радиотелескопов, разбросанных по всему миру. В совокупности телескопы обладали разрешающей способностью одного телескопа с зеркалом шириной, равной расстоянию между ними, т.е. эффективный телескоп был размером с Землю.

Чтобы сделать этот снимок, радиоволны, поступающие на каждый телескоп, были преобразованы в данные с точной разметкой временными метками и сохранены. Позднее эти данные были сшиты. Эта процедура относительно проста в радиоастрономии, так как радиоизлучающие объекты, как правило, чрезвычайно яркие, а радиоволны относительно большие, и поэтому их легко выровнять.

Оптическая интерферометрия гораздо сложнее. Длина видимых волн измеряется сотнями нанометров, что оставляет гораздо меньше пространства для ошибок при накладывании волн в зависимости от времени их поступления в разные телескопы. Более того, оптические телескопы строят изображения фотон за фотоном из очень тусклых источников. Такие зернистые сигналы невозможно сохранить на обычных жёстких дисках без потери информации, жизненно важной для интерферометрии.

Астрономам удалось напрямую связать близлежащие оптические телескопы оптоволоконными кабелями подход, который в 2019 году привёл к первому прямому наблюдению экзопланеты. Однако подключение телескопов на расстоянии более 1 километра или около того чрезвычайно громоздко и дорого, рассказывает Тео тен Бруммелаар, руководитель CHARA Array, оптического интерферометрического массива в Калифорнии. Если бы существовал способ регистрации фотонных событий в оптическом телескопе с помощью какого-то квантового устройства, это было бы большим благом для науки.

Щели Юнга

Джосс Бленд-Хоторн и Джон Бартоломей из Университета Сиднея и Мэтью Селларс из Австралийского национального университета недавно предложили схему реализации оптической интерферометрии с использованием квантовых жёстких дисков.

Принцип, лежащий в основе нового предложения, восходит к началу 1800-х годов, до квантовой революции, когда Томас Юнг разработал эксперимент, чтобы проверить, состоит ли свет из частиц или волн. Юнг пропустил свет через две близко расположенные, отдельные щели и увидел, что на экране позади образовался узор из регулярных ярких полос. Он утверждал, что эта интерференционная картина возникла из-за того, что световые волны из каждой щели гасят друг друга и складываются в разных местах.

А потом всё стало ещё более странным. Квантовые физики обнаружили, что интерференционная картина для двух щелей сохраняется, даже если отправлять фотоны к щелям по одному. Точка за точкой они постепенно создают на экране те же самые светлые и тёмные полосы. Однако, если кто-нибудь проследит, через какую щель проходит каждый фотон, интерференционная картина исчезнет. Невозмущённые частицы ведут себя только как волны.

Теперь представьте, что вместо двух щелей у вас два телескопа. Когда один фотон из космоса прибывает на Землю, он может попасть в любой телескоп. Без измерения как в случае с двойными щелями Юнга фотон представляет собой волну, которая входит в обе щели.

Бленд-Хоторн, Бартоломью и Селларс предлагают подключить к каждому телескопу квантовый жёсткий диск, который способен записывать и хранить волноподобные состояния входящих фотонов, не нарушая их. Через некоторое время жёсткие диски переносятся в одно место, где сигналы накладываются друг на друга, чтобы создать изображение с невероятно высоким разрешением.

Квантовая память

Чтобы это сработало, квантовые жёсткие диски должны хранить много информации в течение длительного периода. Один из поворотных моментов наступил в 2015 году, когда Бартоломью, Селларс и коллеги разработали запоминающее устройство из ядер европия, встроенных в кристалл, которое могло хранить хрупкие квантовые состояния в течение шести часов с возможностью продления этого срока до нескольких дней.

Затем, в начале этого года, команда из Университета науки и техники Китая в Хэфэе продемонстрировала возможность сохранения данных о фотонах в аналогичных устройствах с последующим считыванием.

Очень интересно и удивительно видеть, что методы квантовой информации могут быть полезны для астрономии, сказал Цзун-Цюань Чжоу, который был соавтором недавно опубликованной статьи. Чжоу описывает мир, в котором высокоскоростные поезда или вертолёты быстро перемещают квантовые жёсткие диски между далёкими телескопами. Однако ещё предстоит выяснить, могут ли эти устройства работать за пределами лабораторий.

Бартоломью уверен, что жёсткие диски можно защитить от случайных электрических и магнитных полей, нарушающих квантовые состояния. Однако им также придётся выдерживать перепады давления и ускорение. Исследователи также работают над созданием жёстких дисков, которые способны хранить фотоны с различными длинами волн это необходимо для захвата изображений космоса.

Не все думают, что это заработает. В долгосрочной перспективе, если эти технологии будут реализованы на практике, им потребуется квантовая сеть, рассуждает Михаил Лукин, специалист по квантовой оптике в Гарвардском университете. Вместо физической транспортировки квантовых жёстких дисков Лукин предложил схему, которая будет опираться на квантовый Интернет сеть устройств, называемых квантовыми ретрансляторами, которые телепортируют фотоны между площадками, не нарушая их состояния.

Бартоломью возражает, говоря: У нас есть веские причины для оптимизма в отношении квантовых жёстких дисков. Я думаю, что в течение 510 лет мы сможем увидеть предварительные эксперименты, в которых фактически начнём наблюдать реальные [астрономические] источники. Напротив, создание квантового Интернета, по словам Бленда-Хоторна, от реальности отделяют десятилетия.

В области физики необходим всесторонний анализ данных, поступающих не только с телескопов, но и с датчиков для отслеживания экспериментов. Анализ больших массивов данных также востребован бизнесом. Если эта сфера вам интересна, вы можете обратить внимание на профессию Data Analyst мы поможем прокачаться занятому специалисту или освоить её с нуля.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

Другие профессии и курсы

ПРОФЕССИИ

КУРС

Подробнее..

Категории: Астрономия , Научно-популярное , Физика , Блог компании skillfactory , Квантовые технологии , Наука , Научпоп , Skillfactory , Телескопы , Земля , Эксперименты , Кванты

Радиотелескоп на обратной стороне Луны зачем он там нужен и чем поможет науке

16.06.2021 20:20:54 |

Автор: admin

^{Источник: NASA}
Весной 2020 года NASA одобрило проект создания огромного радиотелескопа на обратной стороне Луны. Согласно планам, его планируют создавать при помощи специализированных роботов DuAxel, поскольку команду строителей на Луну по понятным причинам отправить не получится.

Размер радиотелескопа будет поистине огромным диаметром вплоть до 5 километров. Благодаря своему размеру он поможет астрономам изучать реликтовое излучение и получать новые знания о молодой Вселенной и ее эволюции. Но почему именно Луна? Разве на Земле нельзя создать нечто подобное?

Проблемы наземных радиотелескопов

Основная проблема состоит в том, что для получения качественной картинки при помощи радиоспектра нужна большая площадь рабочей поверхности. То есть настолько большая, насколько это возможно. С увеличением размера повышается точность определения координат источника, а также можно больше узнать о таких характеристиках этого источника, как форма, структура и тому подобные вещи. Для ученых очень важна разрешающая способность системы, от этого показателя напрямую зависит размер объектов, которые способен увидеть телескоп. Ну а разрешение зависит как раз от диаметра чаши телескопа и длины волны рабочего диапазона устройства.

Именно из-за необходимости увеличения размеров радиотелескопов на Земле строились и строятся такие гиганты, как Аресибо (к сожалению, он полностью разрушен из-за аварии и демонтирован), Небесный глаз, Ратан-600 и другие.

Есть и еще один вариант: создание не огромных радиотелескопов, а кластерных систем, которые состоят из десятков или даже сотен отдельных небольших радиотелескопов. Примером кластерного радиотелескопа служит MeerKAT, который состоит из 64 отдельных телескопов. Он размещен в Южной Африке, в первый же день работы (его включили в 2016 году) телескоп обнаружил 1300 галактик на участке небосвода, где до этого ученые нашли всего 70 галактик.

Самым большим кластерным радиотелескопом на Земле можно считать SKA радиоинтерферометр с общей площадью антенной решетки площадью больше 1 км. Пока что он не готов полностью, но к моменту реализации проекта в 2024 или 2025 годах его чувствительность раз в 50 превысит чувствительность любого другого радиотелескопа на Земле. При этом отдельные элементы кластерной системы расположены не рядом, а на огромном расстоянии друг от друга в Австралии и Южной Африке. Количество отдельных антенн в SKA составляет несколько тысяч.

Еще одна проблема в технической сложности создания крупных радиотелескопов. Что кластерные системы, что одиночки-гиганты все они требуют огромных вложений и ресурсов. Но, в целом, техническая сложность и дороговизна особенность практически всех проектов, направленных на изучение космоса, здесь вряд ли можно что-то поделать.

Ну и третий момент радиоизлучение на самой Земле. Оно очень сильное. В некоторых секторах радиоспектра, например, коротких волнах, Земля, если на нее посмотреть радиотелескопом, будет даже ярче Солнца. Постороннее радиоизлучение очень мешает астрономам, а с развитием цивилизации ситуация лишь ухудшается, поскольку земной радиоэфир становится все насыщеннее. Это сравнимо со световым загрязнением, которое мешает наблюдениям Вселенной уже при помощи оптических телескопов чем сильнее освещена Земля, тем сложнее наблюдать за космосом. Кстати, Солнце излучает и в радиоспектре, что тоже мешает наземным радиотелескопам вести наблюдение.

Обратная сторона Луны как идеальный вариант для астрономов

Идея создания радиотелескопа с обратной стороны сначала существовала лишь в качестве идеи. Много лет ее обсуждали, она прозвучала в рассказах и романах нескольких авторов научно-фантастических произведений.

Но в итоге идея стала рассматриваться с практической точки зрения. В 2020 году агентство NASA одобрило проект постройки самого большого радиотелескопа с заполненной апертурой. Главное предназначение проекта LCRT (Lunar Crater Radio Telescope), как и говорилось выше, в изучении реликтового излучения Вселенной, хотя LCRT способен выполнять и другие задачи вроде наблюдения за космическими объектами.

Он сможет работать с радиоизлучением с длиной волны 10-50 м и частотой 6-30 МГц.

Размещать телескоп планируется в одном из подходящих для этого лунных кратерах. Роботы-строители займутся растягиванием проволочной сети с закреплением ее внутри кратера. Затем ровно по центру они же закрепят подвесной облучатель. О том, как будет происходит процесс строительства, схематически сообщается на картинке ниже.

Проект поддержан программой NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts). Участники этого проекта выполнили первую часть работ, доказав фактическую возможность создания огромного телескопа на обратной стороне Луны. После этого агентство NASA выделило средства на второй этап он займет не менее двух лет. Пока что выделено $500 000, чего, конечно, недостаточно для постройки телескопа на Луне. Но это средства, предназначенные для проведения работ на Земле, речь все еще о ранних этапах подготовки. Ученые используют средства для тестирования роботов и моделирования процесса строительства.

А вот когда и этот этап подойдет к завершению, к проекту подключатся как специалисты NASA, так и другие партнеры.

Кстати, это не единственный проект по созданию радиотелескопа на Луне. Есть и другие, включая FarSide и FarView. В 2022 году NASA собирается запустить радиоспектрометр на Луну, посадив его при помощи специальной платформы. Если все получится, то будет пройден этап proof of concept, то есть ученые докажут саму возможность создания радиотелескопа на спутнике Земли. Это будет мощный аргумент в пользу крупных проектов.

Идея как FarSide, так и FarView создание радиоинтерферометра на обратной стороне Луны. Это как MeerKAT, только еще чувствительнее и больше.

К сожалению, все три проекта LCRT, FarSide и FarView дело будущего. FarSide, если и будет реализован, то где-то к 2030 году. FarView примерно в середине 2030-х, а LCRT уже к 2040 году

Подробнее..

Категории: Астрономия , Научно-популярное , Блог компании selectel , Будущее здесь , Наука , Луна , Телескопы , Земля

Спутниковый интернет Starlink продолжает развиваться в этом году он станет мобильным и покроет почти всю планету

20.04.2021 20:11:13 |

Автор: admin

Компания SpaceX под руководством Илона Маска продолжает развивать спутниковый интернет Starlink. Похоже, цель компании покрыть связью всю планету близка к достижению. Во всяком случае, к этому все идет. Но, кроме покрытия, есть и другие интересные задачи, о которых недавно рассказал Илон Маск.

Так, на днях он заявил о том, что уже в этом году пользователи спутниковых терминалов Starlink смогут использовать их там, где захотят, а не только в своем доме. Можно, например, поставить тарелку на трейлер и путешествовать по разным странам. Если в регионе есть покрытие, у пользователя будет интернет. Когда и как это планируется реализовать?

Что рассказал Маск

Бизнесмен сообщил в Твиттере, что спутниковый интернет, вернее, оборудование для него, станет полностью передвижным уже в этом году. Правда, для того чтобы достичь хорошего покрытия, потребуется запустить на орбиту еще несколько спутников связи. Плюс ввести парочку ключевых обновлений системы.

Кроме Твиттера, есть и другие источники информации. Так, SpaceX пришлось раскрыть часть планов по развитию спутникового интернета в своей заявке Федеральной комиссии по связи США. В заявке запрашивается возможность разворачивания обновленных спутниковых терминалов, чтобы к спутниковому интернету можно было подключиться и в машине, и на судне, и в самолете/вертолете. В общем, интернет везде и всюду.

Если FCC одобрит заявку компании, то Starlink вскоре станет полностью мобильным.

Стоит напомнить, что Dishy McFlatface, оборудование для подключения к спутниковому интернету, сейчас поставляется в своей стационарной модификации. Но это лишь бета-версия программы подключения. Скорее всего, после запуска основного проекта оборудование будет действительно автономным. Но для этого, конечно, придется провести еще несколько испытаний.

Сейчас в условиях договора с компанией есть пункт, что терминал предназначен для использования по адресу, указанному в заявке. Тем не менее, некоторые сорвиголовы среди пользователей переносили антенны и получали интернет вне дома.

С течением времени качество сервиса становятся все выше, включая аптайм, пропускную способность канала и задержки. Об этом говорят пользователи, говорит и сам Маск.

Покрытие для большей части планеты

Как говорилось выше, главная цель всего проекта по созданию глобальной спутниковой сети обеспечение связью всей планеты. И компания активно движется по намеченному пути.

Бета-сервис обеспечивает пропускную способность от 50 до 150 Мбит/с, с задержкой от 20 до 40 мс. Чем больше будет спутников на орбите, тем лучше показатели. К концу года Маск обещает уже 300 Мбит/с и покрытие большей части планеты.

На низкой орбите сейчас работает 1 351 спутник связи. Всего было запущено 1 445 таких систем. Впрочем, какие-то находятся в резерве, какие-то сведены с орбиты и сгорели в атмосфере их уничтожили после отказа в работе, какие-то просто тестируются. Но и того, что есть, вполне достаточно для хорошего качества связи.

Всего планируется запустить 12 000 спутников, с дальнейшим увеличением этой группы (если разрешит FCC) до 30 000.

К сожалению, сейчас система доступна только в США и только в некоторых регионах. Позже география сервиса будет расширена, но количество заказов все равно ограничат. Компанию можно понять: сейчас проводится лишь бета-тестирование и лишние пользователи пока ни к чему.

Стоимость терминала по-прежнему составляет $499, а цена услуг связи $99 в месяц. Представители компании уже заявили, что ценообразование останется прозрачным для пользователей, а цены доступными и после окончания бета-теста. Сейчас у SpaceX есть разрешение от регулятора на разворачивание 1 млн пользовательских терминалов в США. В новой заявке у FCC просят разрешить уже 5 млн терминалов.

Для ускорения развития спутниковой сети Starlink компания строит новый завод в Остине. На заводе будут производить системы для изготовления спутниковых антенн, маршрутизаторы Wi-Fi, монтажное и другое оборудование.

Новое производство поможет не отставать от спроса на услугу глобального интернета. Предполагается, что строительство фабрики ускорит развертывание широкополосной спутниковой сети Starlink.

О строительстве нового завода стало известно не из новостей, а из объявления о вакансии на должность инженера по автоматизации и контролю. В объявлении говорится о том, что инженер будет играть ключевую роль. Цель завода производить миллионы устройств, ориентированных на потребителя.

Немного о проблемах

Компании мешают конкуренты, которые изо всех стараются сохранить монополию наземной связи. Главный их аргумент против проекта Starlink технологии компании пока что не протестированы целиком и полностью, да и сеть работает не везде.

В заявлении конкурентов говорится следующее: Cпутниковая сеть пока что находится на этапе бета-тестирования, так что связь доступна не везде, а вопросы остаются. В то же время спутниковая сеть пока еще не показала сочетание скорости и задержек, ранее обещанное компанией. Кроме того, юс представители группы считают, что выделение средств компаниям, которые только испытывают свои технологии, не является оправданным шагом со стороны FCC. Тем более, что SpaceX и не нуждается особо в финансировании со стороны.

На днях Wall Street Journal опубликовал статью, в которой рассказывается о попытке остановить Маска. Конкуренты объединились, добавив в свою коалицию представителей регуляторов и экспертов. Все они считают, что миллиардер строит почти что монопольный бизнес, угрожая безопасности людей и аппаратов в космосе, а также нанося вред окружающей среде.

Другие спутниковые компании жалуются на то, что спутники Маска мешают их собственному оборудованию, блокируя сигналы.

Подробнее..

Категории: It-инфраструктура , Сетевые технологии , Космонавтика , Сетевое оборудование , Блог компании selectel , Связь , Земля , Starlink.spacex

Перевод Как определить массу Земли с помощью шаров и веревки

13.03.2021 14:14:35 |

Автор: admin

Чтобы найти суперогромные величины, нужно делать расчеты с очень и очень маленькими числами.

Иллюстрация: Daniel Grizely / Getty Images

Занятно думать о том, каким способом мы узнаём что-то. Например, масса Солнца составляет около 2 х 10³⁰ кг. Это такое огромное число, что его трудно осознать. И если нам так сложно даже вообразить такие большие числа, как мы будем искать эти значения? Что ж, первоначальный метод заключался в использовании небольших масс, палки и веревки. Пожалуй, это один из важных шагов в определении массы как Солнца, так и всех планет в нашей Солнечной системе. Это эксперимент Кавендиша, впервые проведенный Генри Кавендишем в 1798 году. Эксперимент действительно крутой, поэтому я собираюсь объяснить, как он работает.

Между объектами, обладающими массой, существует гравитационное притяжение. У баскетбольного мяча есть гравитационное взаимодействие с Землей (поскольку они оба имеют массу). Именно это гравитационное взаимодействие заставляет баскетбольный мяч ускоряться, когда он падает на землю, если вы его отпустите. Естественно, все всегда знали, что если отпустить предмет, он упадет. Однако только примерно во времена Ньютона люди осознали, что это притяжение также действует между астрономическими объектами, такими как Земля, Луна и Солнце. Это дает нам модель взаимодействия сил, которую часто называют законом всемирного тяготения Ньютона, но, как и у большинства крупных идей, у нее наверняка было много соавторов.

Иллюстрация: RHETT ALLAIN

Давайте рассмотрим эту модель гравитационной силы. Во-первых, величина этой силы зависит от произведения двух взаимодействующих масс (m₁ и m₂). Во-вторых, величина уменьшается пропорционально квадрату расстояния между двумя объектами ( r ). Наконец, есть G. Это универсальная гравитационная постоянная. Это ключ к определению массы Земли.

Итак, давайте сделаем шаг назад на мгновение. Когда мы измеряем вещи, нам всегда приходится делать какой-то выбор. Если мы хотим получить массу в килограммах, то мы должны решить, как указать значение 1 кг. Можно сказать, что килограмм это масса 1 литра воды. Конечно, это не лучшее определение (теперь у нас есть методы получше). Хорошо, а как насчет измерения силы? Мы используем единицу под названием Ньютон, где 1 Ньютон это сила, необходимая для ускорения тела, массой 1 килограмм, на 1 метр на секунду в квадрате. Да, ситуация выходит из-под контроля, но главное то, что вы можете дать эти определения и построить одну единицу измерения на другой.

А теперь представьте себе этот эксперимент. Предположим, я беру литр воды (который, как я знаю, составляет 1 килограмм) и измеряю гравитационную силу, исходящую от Земли. Если я знаю радиус Земли (греки прекрасно справились с его вычислением) и гравитационную постоянную G, то я могу решить уравнение гравитационной силы для массы Земли (см.выше). Но что такое гравитационная постоянная? Это сложная часть, и вот как вы можете найти значение G.

Оказывается, эта гравитационная постоянная очень мала. Это означает, что притяжение между двумя обычными объектами, такими как бутылки с водой, до смешного ничтожно мало. Единственный способ получить заметную гравитационную силу это если одна из взаимодействующих масс огромна (как Земля). Однако есть способ разобраться использовать крутильные весы.

Начнем с простой демонстрации физики, которую вы можете попробовать дома. Возьмите карандаш и поместите его на край стола так, чтобы примерно половина карандаша свешивалась с края, будто он вот-вот упадет, но держится. В этот момент карандаш в основном балансирует прямо на краю стола. Карандаш поддерживает только эта крошечная точка контакта, поэтому сила трения не может вызвать крутящий момент, чтобы остановить его вращение. Даже сверхмалое усилие, прижимающее конец карандаша, заставит его вращаться. Стоит едва подуть, чтобы карандаш начал вращаться.

Видео: RHETT ALLAIN

Мне нравится подносить пальцы к карандашу и притворяться, будто я использую свои супергеройские способности, чтобы двигать его. Теперь давайте заменим карандаш более длинной палкой, и вместо того, чтобы класть ее на стол, я бы повесил ее на веревке. Поскольку она опирается на середину, достаточно крошечной силы чтобы заставить ее вращаться, как и в случае с карандашом. Вместо того, чтобы дуть, мы могли бы заставить небольшую гравитационную силу двигать ее. Вот как это работает.

Иллюстрация: RHETT ALLAIN

На конце вращающегося горизонтального стержня есть две меньшие массы (обозначенные m₁). Эти массы взаимодействуют с большими массами (m₂), которые находятся на расстоянии ( r ) от них. Горизонтальный стержень в конечном итоге достигнет некоторого положения равновесия, поскольку из-за скручивания троса, который поддерживает стержень, возникает небольшой крутящий момент. Трос действует как вращающаяся пружина. Чем больше он скручивается, тем больше крутящий момент. Если вы знаете соотношение между углом поворота () и крутящим моментом, вы можете вычислить гравитационную силу, притягивающую массу на конце палки к большей неподвижной массе. В конфигурации на диаграмме выше большие массы заставят палку вращаться по часовой стрелке (как видно сверху). Если вы переместите бльшие массы на другую сторону от палки, гравитационные силы заставят ее вращаться против часовой стрелки. Это показывает, что вращение происходит из-за гравитационного взаимодействия между парными массами. Как только палка займет устойчивое положение, останется лишь измерить массы и расстояние между ними, чтобы получить гравитационную постоянную.

В этом случае мы получаем гравитационную постоянную G = 6,67 x 10^-11N*m² кг². Вы можете видеть, что эта константа действительно очень мала. В качестве примера мы можем продемонстрировать, как производится вычисление. Предположим, что вы человек, стоящий на расстоянии 1 метра от другого человека такой же массы (около 75 кг). Какая величина силы будет действовать на вас из-за гравитационного притяжения? Подставляя эти значения (вместе с константой) в уравнение силы мы получаем:

Иллюстрация: RHETT ALLAIN

Но в этом нет смысла. Никто не может почувствовать настолько небольшую силу. Попробуем представить ситуацию с силой, сопоставимой с гравитационным притяжением между двумя людьми. Как вам такое? Предположим, вы кладете в руку небольшой предмет. Вы можете почувствовать гравитационную силу Земли на этом объекте, потому что ваша рука должна толкать его вверх, чтобы уравновесить гравитационную силу. Объект какой массы создаст вызванную Землей гравитационную силу, равную силе притяжения между двумя людьми? На поверхности Земли некоторые из этих значений всегда одинаковы (гравитационная постоянная, масса Земли и расстояние до центра Земли). Мы можем сгруппировать все эти значения в одно число.

Иллюстрация: RHETT ALLAIN

Мы можем назвать это локальной гравитационной постоянной Земли (local-Earth gravitational constant). Все, что вам нужно сделать, это взять массу и умножить на g (мы используем строчную букву g, чтобы ее не путать с другой гравитационной постоянной G), и вы получите гравитационную силу (вес). В этом случае вам понадобится объект массой около 4 x 10^-11 грамм, чтобы получить вес, равный силе притяжения между двумя людьми. Это все еще слишком мало для того, чтобы понять. А если так? Человеческие волосы могут иметь линейную массовую плотность 6,5 граммов на километр (информация из этой публикации). Это означает, волос длиной всего 6 x 10^-6 миллиметров имеет вес, равный притяжению между двумя людьми. Это уму непостижимо. Вот вам бонус, мои расчеты, если вы хотите изменить значения.

Иллюстрация: RHETT ALLAIN

О, да, вы можете повторить тот же самый расчет, но использовать известную массу и вычислить массу Земли. Получится около 5,97 x 10²⁴ килограмма. Но зачем останавливаться на достигнутом? Вы также можете использовать значение G, чтобы найти массу солнца. Я кратко объясню, как работает этот расчет.

Итак, у вас есть планета, подобная Меркурию, которая вращается вокруг Солнца. Если учесть, что орбита круговая, то на Меркурий действует гравитационная сила со стороны Солнца.

Иллюстрация: RHETT ALLAIN

Гравитационная сила заставляет планету ускоряться и двигаться по кругу (центростремительное ускорение). Но это центростремительное ускорение зависит как от угловой скорости (), так и от орбитального расстояния ( R ). Поскольку на планете действует только одна сила (гравитационная сила), она будет равна массе, умноженной на ускорение, и в результате получится следующее соотношение.

Иллюстрация: RHETT ALLAIN

Обратите внимание: здесь предполагается, что солнце неподвижно, что, в целом, верно. Масса Солнца колоссальна по сравнению с массой Меркурия, так что масса Меркурия не имеет значения. Итак, решение для нахождения массы солнца:

Иллюстрация: RHETT ALLAIN

Теперь вам просто нужно найти расстояние от точки орбиты до центра Меркурия. Вы можете сделать это, начав с радиуса Земли. Затем вам нужно найти угловую скорость вы можете получить её, посмотрев, сколько времени требуется Меркурию, чтобы совершить полный оборот вокруг Солнца. После этого все готово. У вас есть гравитационная постоянная, и вы можете вычислить массу Солнца. Удивительно, что все это начнется с каких-то небольших масс на горизонтально вращающейся палке, но это правда.

Подробнее..

Категории: Физика , Занимательные задачки , Блог компании timeweb , Timeweb , Земля

	Русский
	English

Земля

Перевод Мы понятия не имеем, что делает планеты потенциально обитаемыми

Как греки Землю измеряли

Перевод Как Земля движется в космосе? Теперь мы знаем это во всех масштабах

Перевод Квантовый эксперимент с двумя щелями даёт надежду на создание телескопа размером с Землю

Телескоп размером с Землю

Щели Юнга

Квантовая память

Радиотелескоп на обратной стороне Луны зачем он там нужен и чем поможет науке

Проблемы наземных радиотелескопов

Обратная сторона Луны как идеальный вариант для астрономов

Спутниковый интернет Starlink продолжает развиваться в этом году он станет мобильным и покроет почти всю планету

Что рассказал Маск

Покрытие для большей части планеты

Немного о проблемах

Перевод Как определить массу Земли с помощью шаров и веревки

Категории

Последние комментарии