Световые годы, парсеки и многое другое: эти единицы измерения используются для описания расстояний между планетами и другими астрономическими объектами

Если вы хотите определить размер баскетбольного мяча, то для измерения его диаметра можно использовать обычную линейку. У вас должно получиться значение около 0,24 метра. Пожалуйста, не используйте дюймы — с ними сложнее работать. В любом случае, вы, вероятно, не используете имперские единицы, поскольку официально эта система используется только в трёх странах: Мьянма, Либерия и... Соединённые Штаты. Им пора переходить на метрическую систему, как и всем остальным.

Но что делать, если вам нужно узнать расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса? Конечно, вы можете использовать метры, расстояние в которых составит примерно 3,93 х 10^6 метров, или километры (3 930 км). Но на самом деле километры — это просто красивый способ использования метров. Это та же единица измерения расстояния, только с приставкой. Единицы измерения в метрах (или километрах) достаточно хорошо работают для таких больших вещей, как Земля, радиус которой составляет около 6,37 х 10^6 метров.

Однако за пределами Земли всё становится очень большим. Для очень больших вещей часто бывает полезно использовать очень большие единицы измерения расстояния. Давайте рассмотрим три наиболее распространённые единицы измерения расстояний в астрономии.

Астрономическая единица

Название этой единицы делает её немного важнее, чем есть на самом деле — она важна, но не для всей остальной Вселенной. Вкратце, астрономическая единица (а.е.) — это расстояние от Земли до Солнца. Технически это не совсем верно, поскольку орбита Земли вокруг Солнца не идеально круговая. Давайте просто скажем, что а.е. — это среднее расстояние до Солнца – пока и так сойдёт.

С помощью а.е. гораздо проще измерять расстояния в Солнечной системе. Например, расстояние от Солнца до Марса составляет около 1,52 а.е., а до Плутона — около 40 а.е.. Но есть ещё более веская причина описывать расстояния в а.е., чем просто удобство. Люди впервые использовали астрономическую единицу, потому что не знали расстояния от Земли до Солнца. Да, это звучит безумно, но это правда.

Итак, дело вот в чём. Древние греки провели потрясающие измерения Земли и Луны (и попытались определить расстояние до Солнца), но это довольно сложно. Но даже не имея точного значения расстояния между Солнцем и Землёй, более поздние астрономы всё равно смогли сделать несколько хороших моделей Солнечной системы. Иоганн Кеплер обнаружил, что время, необходимое планете для обращения вокруг Солнца, пропорционально её расстоянию до Солнца (опять же, технически эти орбиты представляют собой эллипсы). Используя это, он определил расстояние от других планет до Солнца, выразив его через расстояние до Земли. Хоп — и вы получаете расстояние в а.е..

Конечно, никто не хочет останавливаться и оставлять все данные о Солнечной системе в терминах а.е.. На самом деле нам нужен коэффициент пересчёта между а.е. и метрами. Чтобы его получить, нужно реально измерить расстояние между Землёй и Солнцем. Это не такая уж простая задача, но есть один способ получить разумное значение — использовать транзит Венеры. Это происходит, когда планета Венера проходит между Землёй и Солнцем (это случается не так часто, как вы думаете). Измерив точное время начала и окончания транзита с разных точек Земли, вы можете получить значение а.е. в пересчёте на размер Земли (который нам в основном известен). Вот все детали этого расчёта, если вам интересно.

В итоге мы получили расстояние между Землёй и Солнцем около 1,496 x 10^11 метров. Да, это довольно много.

Парсек

Как далеко от нас находится ближайшая звезда? Это Альфа Центавра на расстоянии 2,67 x 10^5 а.е. (можете перевести это в метры в качестве домашнего задания). Итак, вы видите, что мы снова столкнулись с той же проблемой. Возможно, имеет смысл использовать единицу измерения расстояния, которая не предполагает гигантских чисел. Вот тут-то и приходит на помощь парсек.

Парсек зависит от одной большой идеи — параллакса. Давайте начнём с простого эксперимента, который вы можете провести дома. Вытяните руку прямо перед собой, держа большой палец вверх. Не бойтесь выглядеть глупо — давайте я тоже так сделаю.

Теперь посмотрите на большой палец и закройте один глаз (возможно, вам поможет, если вы ещё произнесёте «камера один»). С одним закрытым глазом определите, с каким объектом на заднем плане совпадает ваш большой палец? Не имеет значения, с каким именно — просто осознайте, что он где-то есть. Затем поменяйте глаза (и скажите «камера два»), но не двигайте большим пальцем. Вы должны заметить, что положение большого пальца по отношению к фону меняется. Это и есть параллакс. Это кажущееся изменение положения объекта при взгляде на него с другого места. Чем ближе объект к вашему лицу, тем больше кажущееся изменение.

Если вы хотите рассчитать расстояние до объекта, вы можете найти его с помощью величины углового сдвига и расстояния между двумя точками наблюдения с помощью следующего уравнения (предполагается, что расстояние до объекта намного больше, чем расстояние между точками наблюдениями):

Расстояние до объекта = Изменение наблюдаемого расстояния / Угловой сдвиг

При этом вам нужен угол, измеренный в радианах (а не в градусах). Видно, что для получения измеримого углового сдвига необходимо довольно сильно сдвигать места наблюдения, если мы говорим о таких объектах, как звёзды (то есть очень далёких). Что, если мы пронаблюдаем объект с Земли, когда она находится с одной стороны Солнца, а через 6 месяцев — с другой? В этом случае звезда даст небольшой угловой сдвиг. Вот так вот:

Зная расстояние от Земли до Солнца (да, это расстояние нам всё ещё нужно) и измерив угловое смещение звезды, мы можем рассчитать расстояние до последней. Да, это измерение также зависит от других звёзд, которые находятся очень далеко, и не слишком сильно смещаются. Если бы все звёзды находились на одинаковом расстоянии от нашего Солнца, нам было бы трудно измерить угловое смещение.

Теперь о парсеке. Он определяется так: 1 парсек — это расстояние, на котором должна находиться звезда, чтобы её видимое угловое смещение составляло 1 угловую секунду градуса. Давайте найдём перевод парсеков в а.е. — просто ради интереса.

Шаг первый — получить угловое смещение на 1 угловую секунду в радианах.

Остальное очень просто. Просто возьмите 1 а.е. и разделите на этот угловой сдвиг. Если вы подставите это в калькулятор, то получите 2,06 x 10^5 а.е.. Повторите это для преобразования парсеков в метры. Будет весело.

Световой год

Парсеки — это круто. Они звучат так круто, что их можно было бы использовать в фильме о космосе, но использовать для описания времени, а не расстояния (поскольку это звучит как расстояние). А потом, 40 лет спустя, можно было бы снять ещё один фильм, который бы как-то оправдывал неправильное использование парсека. Это было бы потрясающе (подсказка — я большой фанат «Звёздных войн»).

Но подождите. Есть ещё одна единица измерения расстояния, которая звучит как время. Это световой год. Да, год — это единица времени, но световой год — это единица расстояния. Он определяется как расстояние, которое свет проходит за один год.

Скорость света конечна и постоянна, и составляет примерно 2,998 x 10^8 м/с. Расстояние, которое свет проходит за определённый промежуток времени, можно найти с помощью определения скорости (в одном измерении):

Вычисление размера светового года означает нахождение интервала времени (Δt) в единицах секунд, а не лет, поскольку скорость измеряется в метрах в секунду. Я пропустил часть, где я конвертирую 1 год в секунды, но после этого я могу рассчитать конвертацию между световыми годами и метрами.

А что, если перевести 1 а.е. в световые годы? Я оставлю математику в качестве домашнего задания для вас, но ответ будет 1,58 x 10^-5 световых лет. Это равно 8,3 световым минутам. Подумайте об этом. Свету требуется 8 минут, чтобы пройти путь от Солнца до Земли. А как вам такое: Юпитер находится на расстоянии около 40 световых минут от Земли (расстояние варьируется). Так что, когда вы смотрите на Юпитер в ночном небе, вы на самом деле смотрите на него в прошлом. Сорок минут в прошлом. Ваши глаза — это машина времени.

Чем дальше мы смотрим, тем глубже в прошлое мы заглядываем. Даже глядя на очень близкие вещи, такие как экран компьютера, вы смотрите в прошлое (очень близкое прошлое). Поскольку свету требуется конечное время для перемещения, и поскольку мы видим с помощью света, вы смотрите в прошлое.

Именно поэтому единица светового года так подходит для астрономии. Когда мы смотрим на галактику, находящуюся на расстоянии 10 миллиардов световых лет, мы заглядываем на 10 миллиардов лет в прошлое. И это потрясающе.