§ 58. Строение и масштабы Вселенной

Определения и обозначения

Астрономическая единица, или а. е., — среднее расстояние от Земли до Солнца, примерно 1,5·10¹¹ м. Эту единицу используют, когда сравнивают расстояния между телами Солнечной системы: так их проще записать, чем в километрах или метрах. Например, среднее расстояние от Земли до Солнца равно 1 а. е.

Световой год — расстояние, которое свет проходит за один год. Это единица расстояния, а не времени: год здесь задаёт время движения света, а результатом служит длина пути. Такая единица удобна для огромных расстояний между звёздами и галактиками.

Галактика — огромная система звёзд, межзвёздного газа и пыли, связанные силами тяготения. Тяготение удерживает эти тела и вещество вместе, поэтому галактика не просто случайная группа объектов. Это понятие помогает описывать структуру Вселенной на масштабах, намного больших планетных систем.

Наблюдаемая Вселенная — область Вселенной, откуда свет успел дойти до наблюдателя за время существования Вселенной. Её границы связаны не с краем всего существующего, а с тем, как далеко смог распространиться свет. Поэтому наблюдаемая область показывает предел доступных нам наблюдений.

Как это устроено

Планеты и их спутники входят в планетные системы, которые удерживаются тяготением звезды. Звёзды вместе с газом и пылью объединяются в галактики, а галактики могут образовывать группы и скопления. Такая последовательность возникает потому, что гравитационное притяжение действует и между отдельными телами, и между большими скоплениями вещества. При переходе к каждому следующему уровню масштабы и расстояния резко возрастают.

В Солнечной системе расстояния удобно сравнивать с расстоянием от Земли до Солнца: оно принято за одну астрономическую единицу. Тогда вместо огромных чисел в километрах можно сказать, например, что расстояние составляет несколько а. е. Но расстояния между звёздами настолько больше, что даже астрономических единиц для записи становится много. Поэтому для них используют световые годы: эта единица показывает длину пути, соответствующую очень большому промежутку пространства.

Свет распространяется с конечной скоростью — примерно 3·10⁸ м/с. Значит, небесному объекту нужно время, чтобы послать свет, который затем достигнет Земли. Наблюдая далёкую галактику, мы получаем не мгновенное изображение её нынешнего состояния, а свет, отправившийся к нам раньше. Чем больше расстояние, тем дольше шёл этот свет и тем более далёкое прошлое объекта мы видим.

Солнечная система находится в галактике Млечный Путь. Мы смотрим на её звёздный диск изнутри, поэтому звёзды диска в разных направлениях накладываются на небесной сфере и выглядят как светлая полоса. Это не отдельное облако, расположенное рядом с Землёй, а проекция далёких звёзд нашей галактики на видимую часть неба. Размер Млечного Пути составляет порядка 100 000 световых лет.

Расстояния между звёздами огромны по сравнению с размерами самих звёзд. Если мысленно уменьшить звезду до небольшого шарика, расстояние до соседней звезды всё равно оказалось бы очень большим в сравнении с этим шариком. Поэтому галактика не заполнена звёздами сплошь: между ними находятся огромные промежутки, а газ и пыль тоже распределены разреженно. Сравнение размеров тел с промежутками между ними помогает представить, насколько разреженно устроена Вселенная.

Объекты Вселенной и их масштабы

Таблица показывает, как меняются состав объектов и характерные масштабы при переходе от планетных систем к галактикам и их скоплениям. Выбирайте единицу по величине расстояния: астрономическую единицу — для Солнечной системы, световой год — для звёздных и галактических масштабов. Миллионы световых лет используют, когда сравнивают расстояния между большими группами галактик.

Разбор задач

Задача 1. Сколько времени идёт свет от Солнца до Земли, если расстояние равно 1 а. е. (1,5·10¹¹ м), а скорость света — 3·10⁸ м/с? Сначала определим, какую величину требуется найти: время движения. Для равномерного движения оно равно расстоянию, делённому на скорость.

1. Запишем формулу: t = s/v.
2. Подставим данные в единицах СИ: t = 1,5·10¹¹ м / (3·10⁸ м/с).
3. Вычислим: t = 0,5·10³ с = 500 с.
4. Переведём секунды в минуты: 500 с / 60 с ≈ 8,3 мин.

Ответ: свет идёт от Солнца до Земли около 8,3 минуты. Такой результат показывает, что даже сравнительно близкое по космическим меркам расстояние свет преодолевает не мгновенно. При расчёте единицы метров сокращаются, а в ответе остаются секунды.

Задача 2. Сколько километров составляет расстояние в 4 световых года, если за год свет проходит примерно 9,5·10¹² км? Световой год уже является единицей длины, поэтому не нужно искать время движения или переводить годы в секунды. Достаточно умножить длину одного светового года на число таких единиц.

1. Запишем длину одного светового года: 1 св. год ≈ 9,5·10¹² км.
2. Умножим на четыре: 4 св. года ≈ 4 · 9,5·10¹² км.
3. Выполним вычисление: 4 · 9,5 = 38, поэтому получим 38·10¹² км.
4. Запишем ответ в стандартном виде: 3,8·10¹³ км.

Ответ: 4 световых года — это примерно 3,8·10¹³ км. В вычислении умножается расстояние на число световых лет, поскольку требуется получить общую длину пути. Называть световой год единицей времени здесь было бы неверно.

Задача 3. Во сколько раз диаметр Млечного Пути, равный примерно 100 000 световых лет, больше диаметра Солнечной системы, принятого равным 100 а. е.? Чтобы сравнение было корректным, сначала выразим оба диаметра в одинаковых единицах. Используем соотношение 1 световой год ≈ 63 000 а. е.

1. Переведём диаметр галактики в а. е.: 100 000 · 63 000 = 6,3·10⁹ а. е.
2. Запишем диаметр Солнечной системы в тех же единицах: 100 а. е.
3. Разделим больший размер на меньший: 6,3·10⁹ / 100 = 6,3·10⁷.

Ответ: диаметр Млечного Пути примерно в 63 миллиона раз больше принятого диаметра Солнечной системы. При сравнении масштабов важно сначала привести величины к одной единице, иначе отношение чисел не будет иметь физического смысла. Полученный результат также показывает, насколько велики галактические масштабы относительно планетной системы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать световой год единицей времени. Её легко допустить из-за слова «год» в названии, но величина показывает не длительность, а путь, пройденный светом за год. Проверьте себя: если значение дано в световых годах, оно отвечает на вопрос «какое расстояние?», а не «сколько времени?».

Ошибка — считать, что 1 а. е. — это расстояние от Земли до края Солнечной системы. Так думают, потому что астрономическая единица часто встречается при описании системы вокруг Солнца. На самом деле она равна среднему расстоянию от Земли до Солнца. Проверка проста: сопоставьте определение а. е. с тем расстоянием, которое дано в задаче.

Ошибка — представлять звёзды галактики расположенными вплотную. На картинках звёзды часто изображают крупными точками, и из-за этого между ними не видны настоящие промежутки. В действительности расстояния между звёздами огромны по сравнению с их размерами. Проверяйте представление о масштабе, сравнивая не только размеры звёзд, но и расстояния между ними.

Ошибка — считать, что далёкую галактику мы видим в настоящий момент. Такое предположение возникает, если забыть, что свету требуется время на путь до Земли. Чем дальше галактика, тем дольше распространялся её свет и тем раньше он был испущен. Чтобы проверить себя, спросите: успел бы свет от объекта пройти расстояние до нас мгновенно?

Связь с другими темами

Для понимания масштабов Вселенной нужно знать, что небесные тела взаимодействуют благодаря тяготению: оно объединяет их в системы и галактики. Также важно учитывать конечную скорость света, иначе невозможно объяснить, почему далёкие объекты наблюдаются такими, какими были раньше. При решении задач понадобятся перевод единиц и формула скорости движения, например t = s/v. Эти знания пригодятся при изучении звёзд, галактик и космологических наблюдений, в которых по свету судят о свойствах далёких объектов.

Что запомнить

• Солнечная система входит в состав галактики Млечный Путь.
• Астрономическую единицу используют для расстояний в Солнечной системе.
• Световой год — единица расстояния.
• Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за один год.
• Галактики состоят из звёзд, газа и пыли.
• Чем дальше объект, тем более далёкое прошлое мы наблюдаем.