Азы А&А. 1. Единицы измерения космических величин.
Начинаю публиковать текст учебника по курсу "Введение в астрономию и астрофизику". Во исполнение пожеланий моих читателей буду делать это по вторникам, четвергам и субботам. В 03:00 мск.
§ 1. Параметры объектов космоса и их измерения.
Космос велик и величественен. И его величие требует особых единиц измерения. Всех - пространственных масштабов, масс, времени, энергий, температур и многих других.
1.1. Единицы пространственных масштабов.
Исторически первой не метрической мерой длины для измерения расстояний в космосе была введена астрономическая единица, равная среднему расстоянию от центра Солнца до центра Земли ("радиусу" орбиты Земли) 1 а.е. ≈ 149,6 млн. км.
В этих единицах среднее расстояние от Солнца до Венеры ≈ 0,72 а.е., до Марса ≈ 1,5 а.е., Юпитера ≈ 5,2 а.е., а до Нептуна ≈ 30,1 а.е. По этой причине в рамках солнечной системы астрономическая единица наиболее естественная мера расстояний.
Но для измерения расстояний до звезд, их скоплений, туманностей, галактик и их скоплений астрономическая единица оказалась слишком мелкой. Как миллиметр для измерений расстояний между земными городами. Поэтому была придумана еще одна мера длины - парсек. Это расстояние, с которого угол между "видимыми" концами радиуса земной орбиты равен одной угловой секунде. Поскольку в радиане 206.265 угловых секунд, то один парсек равен 206.265 а.е. ≈ 30,86 трлн. км. Это огромное расстояние. Свет в вакууме способен его преодолеть только за 3,262 года. Поэтому естественно возникло понятие светового года ≈ 9,46 трлн. км, как расстояния, которое свет в вакууме проходит за один земной год.
В частности, расстояние до ближайшей звезды альфа Центавра 4,36 св. года ≈ 1,34 пк, а до самой яркой звезды на нашем небе Сириуса 8,6 св. лет ≈ 2,64 пк. До центра нашей Галактики примерно 26 тысяч св. лет ≈ 8 кпк (килопарсек), а до ближайшей крупной галактики М31 (туманность Андромеды) около 2,5 млн. св. лет ≈ 770 кпк.
1.2. Единицы масс.
В рамках солнечной системы естественной единицей массы может служить масса Земли МЕ ≈ 5,97×1027 грамм. Но в звездной и галактической астрономии более естественной единицей является масса Солнца МS ≈ 1,99×1033 грамм ≈ 3,33×105МE.
Массы большинства звезд лежат в интервале от 0,08МS до нескольких десятков МS. Интервал масс 0,012÷0,08МS занимают "недозвезды" коричневые карлики, а массы менее 0,012МS характерны для планет. В частности, масса Юпитера равна 0,00095МS ≈ 318МE. Масса сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики ≈ 4,3×106МS . А вся масса нащей Галактики (Млечный путь) составляет несколько сот миллиардов масс Солнца (по разным оценкам лежит в интервале от 200 млрд. МS до триллиона МS).
1.3. Единицы времени.
Особой единицы измерения времени астрономы не выдумывали. И пользуются общепринятой секундой. Но в конце 1920-х такая единица возникла опосредованно. В связи с открытием расширения Вселенной. Это расширение принято описывать законом Хаббла:
V = H×R, (1.1)
где V - скорость удаления от нас наблюдаемого объекта (удаленной галактики или ее звезды), измеряемая в км/сек, R - расстояние до этого объекта, измеряемое в Мпк (мегапарсеках), Н - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла, измеряемой в км/сек/Мпк и имеющий размерность обратного времени сек - 1.
Измерения постоянной Хаббла Н разными способами кладут ее в интервал значений от 67 км/сек/Мпк до 74 км/сек/Мпк. А имеющая размерность времени величина, обратная постоянной Хаббла Н, приобретает смысл возраста Вселенной. По порядку величины равному 1/Н ~ 14 млрд. лет.
Закон Хаббла позволяет сделать вывод и о размере потенциально доступной для наблюдений части Вселенной. Для этого его надо записать в виде R = V/H и вместо V подставить скорость света. Тогда потенциально доступная для наших наблюдений часть Вселенной ограничена расстоянием от нас Rmax ≈ c/H ≈ 4300 Мпк ≈ 14 млрд. св. лет. На самом деле для наблюдений доступна несколько меньшая область, ибо несколько первых сот миллионов лет во Вселенной не было ни звезд, ни других светящихся объектов (эпоха темных веков).
§ 1. Параметры объектов космоса и их измерения.
Космос велик и величественен. И его величие требует особых единиц измерения. Всех - пространственных масштабов, масс, времени, энергий, температур и многих других.
1.1. Единицы пространственных масштабов.
Исторически первой не метрической мерой длины для измерения расстояний в космосе была введена астрономическая единица, равная среднему расстоянию от центра Солнца до центра Земли ("радиусу" орбиты Земли) 1 а.е. ≈ 149,6 млн. км.
В этих единицах среднее расстояние от Солнца до Венеры ≈ 0,72 а.е., до Марса ≈ 1,5 а.е., Юпитера ≈ 5,2 а.е., а до Нептуна ≈ 30,1 а.е. По этой причине в рамках солнечной системы астрономическая единица наиболее естественная мера расстояний.
Но для измерения расстояний до звезд, их скоплений, туманностей, галактик и их скоплений астрономическая единица оказалась слишком мелкой. Как миллиметр для измерений расстояний между земными городами. Поэтому была придумана еще одна мера длины - парсек. Это расстояние, с которого угол между "видимыми" концами радиуса земной орбиты равен одной угловой секунде. Поскольку в радиане 206.265 угловых секунд, то один парсек равен 206.265 а.е. ≈ 30,86 трлн. км. Это огромное расстояние. Свет в вакууме способен его преодолеть только за 3,262 года. Поэтому естественно возникло понятие светового года ≈ 9,46 трлн. км, как расстояния, которое свет в вакууме проходит за один земной год.
В частности, расстояние до ближайшей звезды альфа Центавра 4,36 св. года ≈ 1,34 пк, а до самой яркой звезды на нашем небе Сириуса 8,6 св. лет ≈ 2,64 пк. До центра нашей Галактики примерно 26 тысяч св. лет ≈ 8 кпк (килопарсек), а до ближайшей крупной галактики М31 (туманность Андромеды) около 2,5 млн. св. лет ≈ 770 кпк.
1.2. Единицы масс.
В рамках солнечной системы естественной единицей массы может служить масса Земли МЕ ≈ 5,97×1027 грамм. Но в звездной и галактической астрономии более естественной единицей является масса Солнца МS ≈ 1,99×1033 грамм ≈ 3,33×105МE.
Массы большинства звезд лежат в интервале от 0,08МS до нескольких десятков МS. Интервал масс 0,012÷0,08МS занимают "недозвезды" коричневые карлики, а массы менее 0,012МS характерны для планет. В частности, масса Юпитера равна 0,00095МS ≈ 318МE. Масса сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики ≈ 4,3×106МS . А вся масса нащей Галактики (Млечный путь) составляет несколько сот миллиардов масс Солнца (по разным оценкам лежит в интервале от 200 млрд. МS до триллиона МS).
1.3. Единицы времени.
Особой единицы измерения времени астрономы не выдумывали. И пользуются общепринятой секундой. Но в конце 1920-х такая единица возникла опосредованно. В связи с открытием расширения Вселенной. Это расширение принято описывать законом Хаббла:
V = H×R, (1.1)
где V - скорость удаления от нас наблюдаемого объекта (удаленной галактики или ее звезды), измеряемая в км/сек, R - расстояние до этого объекта, измеряемое в Мпк (мегапарсеках), Н - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла, измеряемой в км/сек/Мпк и имеющий размерность обратного времени сек - 1.
Измерения постоянной Хаббла Н разными способами кладут ее в интервал значений от 67 км/сек/Мпк до 74 км/сек/Мпк. А имеющая размерность времени величина, обратная постоянной Хаббла Н, приобретает смысл возраста Вселенной. По порядку величины равному 1/Н ~ 14 млрд. лет.
Закон Хаббла позволяет сделать вывод и о размере потенциально доступной для наблюдений части Вселенной. Для этого его надо записать в виде R = V/H и вместо V подставить скорость света. Тогда потенциально доступная для наших наблюдений часть Вселенной ограничена расстоянием от нас Rmax ≈ c/H ≈ 4300 Мпк ≈ 14 млрд. св. лет. На самом деле для наблюдений доступна несколько меньшая область, ибо несколько первых сот миллионов лет во Вселенной не было ни звезд, ни других светящихся объектов (эпоха темных веков).