"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Космические расстояния настолько велики, что привычные метры и километры становятся неудобными. Для них используют световые годы и парсеки, а сам масштаб объектов прослеживают от Земли и Солнечной системы до галактик и наблюдаемой Вселенной. Наблюдаемая Вселенная — область, свет из которой успел дойти до нас. Её граница связана с конечной скоростью света, но не означает края всего космоса. Из-за расширения пространства радиус этой области сегодня оценивают примерно в 46 млрд световых лет, хотя возраст Вселенной составляет около 13,8 млрд лет.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Световой год — расстояние, которое свет проходит в вакууме за один год. Это единица длины, хотя в её названии есть слово «год». Она удобна для описания расстояний между звёздами и размеров галактик, которые трудно выразить в метрах.
Парсек — единица расстояния, равная примерно 3,26 светового года. Её определение связано с годичным параллаксом — видимым смещением звезды на фоне далёких объектов при движении Земли вокруг Солнца. Парсек удобен тем, что расстояние в парсеках связано с величиной параллакса простой формулой.
Наблюдаемая Вселенная — область Вселенной, откуда свет успел дойти до наблюдателя за время существования Вселенной. Мы можем получать сведения только об объектах, сигнал от которых уже достиг нас. Поэтому понятие помогает отделить доступную наблюдениям область от всей Вселенной, которая может быть больше.
Космологический горизонт — граница наблюдаемой области, связанная с конечной скоростью света и расширением Вселенной. Она показывает, откуда свет мог добраться до нас за космическое время. Это не обязательно край пространства: за горизонтом могут существовать области, недоступные нашим наблюдениям.
Расстояние от Земли до Солнца можно записать в метрах, но для далёкой звезды такое число будет громоздким, а для галактики — ещё длиннее. Поэтому астрономы выбирают единицы, подходящие к масштабу задачи: метры и километры для близких объектов, астрономические единицы в Солнечной системе, световые годы и парсеки для звёзд и галактик. Такая смена единиц не меняет саму длину, а делает сравнение расстояний и вычисления нагляднее. Важно сначала определить порядок масштаба, а затем подобрать удобную единицу.
Световой год получают, умножая скорость света на время его движения. За один год свет проходит примерно 3·10⁵ км/с × 3,16·10⁷ с = 9,48·10¹² км, или около 9,5·10¹⁵ м. Большое значение возникает потому, что свет движется очень быстро и за год успевает пройти огромное расстояние. Название единицы напоминает о времени, за которое свет проходит этот путь, но результат вычисления — именно длина.
Чтобы оценить расстояние до близкой звезды, её наблюдают с Земли в разные моменты года. За полгода Земля перемещается на противоположную сторону орбиты, поэтому звезда кажется немного сместившейся относительно очень далёких объектов; это смещение называют годичным параллаксом. Если угол параллакса равен одной угловой секунде, расстояние до звезды составляет один парсек, а в общем случае расстояние в парсеках равно обратной величине параллакса в угловых секундах. Чем меньше видимое смещение, тем дальше звезда, поэтому парсек особенно удобен для представления результатов таких измерений.
Космические расстояния образуют последовательность масштабов: Земля и Солнечная система, затем отдельные звёзды и Млечный Путь, далее другие галактики и наблюдаемая Вселенная. Расстояние от Земли до Солнца составляет около 1,5·10¹¹ м, а размер Млечного Пути — порядка 10⁵ световых лет. Разница в масштабах объясняет, почему одной единицы для описания всего космоса недостаточно. Переходя от планет к галактикам, мы тем самым меняем удобный способ записи, а не физический смысл расстояния.
Возраст Вселенной оценивают примерно в 13,8 млрд лет, но это не означает, что нынешний радиус наблюдаемой Вселенной равен 13,8 млрд световых лет. Свет от далёких областей распространялся к нам миллиарды лет, а пространство за это время расширялось. Поэтому источник, от которого свет отправился в путь, сегодня может находиться значительно дальше, чем расстояние, которое свет прошёл бы в неподвижном пространстве за то же время. С учётом расширения радиус наблюдаемой Вселенной оценивают примерно в 46 млрд световых лет.
| Объект или масштаб | Характерный размер или расстояние | Подходящая единица | Что показывает масштаб |
|---|---|---|---|
| Расстояние от Земли до Солнца | Около 1,5·10¹¹ м | Метры или астрономические единицы | Масштаб Солнечной системы |
| Расстояние, проходимое светом за год | Около 9,5·10¹⁵ м | Световой год | Удобная единица межзвёздных расстояний |
| Размер Млечного Пути | Порядка 10⁵ световых лет | Световые годы | Масштаб нашей галактики |
| Возраст Вселенной | Около 13,8 млрд лет | Годы | Время, прошедшее с начала расширения Вселенной |
| Радиус наблюдаемой Вселенной | Порядка 46 млрд световых лет | Световые годы | Современный масштаб области, доступной наблюдениям |
Сначала определите, что именно сравнивается: длина или время, а затем обратитесь к подходящей единице. Таблица показывает, как выбранная единица помогает выразить характерный масштаб объекта. Значения приблизительные и относятся к разным физическим величинам: например, возраст нельзя напрямую сравнивать с радиусом.
Условие: сколько километров проходит свет за один год, если его скорость равна 3·10⁵ км/с, а год длится 3,16·10⁷ с? Искомая величина — расстояние, поэтому используем формулу пути при постоянной скорости. Удобно сохранить километры в секунду и секунды, чтобы в результате получить километры.
Ответ: свет проходит около 9,48·10¹² км, то есть приблизительно 9,5·10¹² км за год. Секунды сокращаются, и остаются километры, как и должно быть для расстояния. Это же значение соответствует примерно 9,5·10¹⁵ м.
Условие: звезда находится на расстоянии 4 парсеков; выразите это расстояние в световых годах. Между единицами есть приближённое соотношение 1 пк ≈ 3,26 св. года. Значит, чтобы выполнить перевод, нужно умножить число парсеков на количество световых лет в одном парсеке.
Ответ: 4 пк ≈ 13,04 светового года, или примерно 13 световых лет. При умножении единица «парсек» заменяется соответствующим числом световых лет. Результат приблизительный, потому что коэффициент перевода округлён.
Условие: свет от далёкой галактики шёл до наблюдателя около 10 млрд лет; можно ли заключить, что сейчас галактика находится ровно в 10 млрд световых лет? Вопрос проверяет, различаем ли мы время движения света и нынешнее расстояние до его источника. Одного времени пути недостаточно, чтобы найти современное расстояние при расширении Вселенной.
Ответ: нет, такое заключение делать нельзя. Около 10 млрд лет — это время, в течение которого свет находился в пути, а не обязательно нынешнее расстояние до галактики. Для его определения необходимо учитывать историю расширения Вселенной.
Считать световой год единицей времени. Ошибка возникает из-за слова «год» в названии. Проверьте смысл величины: скорость, умноженная на время, даёт длину, а один световой год равен примерно 9,5·10¹⁵ м.
Путать парсек со световым годом. Обе единицы применяются для далёких объектов, поэтому их легко принять за одно и то же. Однако парсек определяется через параллакс, а световой год — через путь света за год. Проверка простая: 1 пк ≈ 3,26 св. года, а не 1 световой год.
Приравнивать возраст Вселенной к радиусу наблюдаемой области в световых годах. Такое сравнение кажется естественным, если умножить скорость света на возраст Вселенной, но оно не учитывает расширение пространства. Проверьте, относится ли расстояние к прошлому, когда свет отправился в путь, или к современному моменту; нынешний радиус оценивается примерно в 46 млрд световых лет.
Считать наблюдаемую Вселенную всей Вселенной. Слово «Вселенная» может создать впечатление, что речь идёт обо всём существующем космосе. На деле наблюдаемая область ограничена тем, откуда свет успел добраться до нас. Чтобы проверить себя, спросите: означает ли невозможность наблюдения отсутствие объекта? Нет, за пределами горизонта могут находиться области, недоступные нашим наблюдениям.
Для работы с космическими масштабами нужны знания о скорости света, переводе единиц и научной записи чисел. Например, вычисление светового года показывает, как перемножать скорость и время и следить за размерностями. Метод параллакса связывает геометрию наблюдений с измерением расстояний до звёзд. Эти понятия понадобятся при изучении красного смещения и расширения Вселенной: по свету далёких объектов астрономы судят о свойствах и изменении космоса.
Почему световой год — это единица расстояния, а не времени?
Световой год показывает, какое расстояние свет проходит за один год. Это вычисляют как произведение скорости света на время: результат получается в единицах длины. Слово «год» в названии указывает на длительность пути, а не на измеряемую величину.
Чем парсек отличается от светового года?
Обе величины — единицы расстояния, но определяются по-разному. Световой год связан с путём света за год, а парсек — с годичным параллаксом звезды. Один парсек равен примерно 3,26 светового года.
Как измеряют расстояния до звёзд?
Близкие звёзды измеряют методом годичного параллакса: наблюдают небольшое смещение звезды на фоне далёких объектов при движении Земли вокруг Солнца. Чем меньше параллакс, тем дальше звезда. Расстояние удобно выражать в парсеках: 1 пк соответствует параллаксу в одну угловую секунду.
Почему радиус наблюдаемой Вселенной больше 13,8 млрд световых лет?
Свет, который мы принимаем сейчас, летел к нам миллиарды лет, и за это время пространство расширялось. Поэтому расстояние до источника в современную эпоху больше, чем путь, который свет прошёл в неизменном пространстве. Возраст Вселенной нельзя просто приравнять к её нынешнему наблюдаемому радиусу в световых годах.
Значит ли граница наблюдаемой Вселенной, что дальше ничего нет?
Нет. Граница наблюдаемой Вселенной отмечает область, откуда свет успел достичь нас, а не физический край всего космоса. За ней могут находиться другие области, свет от которых пока не дошёл или не сможет дойти до нас.
§ 78. Пространственно-временные масштабы наблюдаемой Вселенной
