Космическое пространство - Outer space

Граница между поверхностью Земли и космическим пространством. Линия Кармана на высоте 100 км (62 миль) показан. Слои атмосферы нарисованы в масштабе, тогда как объекты внутри них, такие как Международная космическая станция , - нет.

Космическое пространство - это пространство, которое существует за пределами Земли и между небесными телами . Космическое пространство не является полностью пустым , это труден вакуум , содержащим низкую плотность частиц, преимущественно в плазму из водорода и гелия , а также электромагнитного излучения , магнитных полей , нейтрино , пыли и космических лучей . Базовая температура космического пространства, как установлено фоновое излучение от Большого взрыва , составляет 2,7 Кельвинов (-270,45 ° С; -454,81 ° F). Плазмы между галактик , как полагают, составляют около половины барионной (обычные) материи во Вселенной, имеющей плотность числа менее одного атома водорода на кубический метр и температуру миллионов кельвинов. Местные скопления вещества сконденсировались в звезды и галактики . Исследования показывают, что 90% массы в большинстве галактик находится в неизвестной форме, называемой темной материей , которая взаимодействует с другим веществом посредством гравитационных, но не электромагнитных сил . Наблюдения показывают, что большая часть массы-энергии в наблюдаемой Вселенной - это темная энергия , тип энергии вакуума, который плохо изучен. Межгалактическое пространство занимает большую часть объема Вселенной , но даже галактики и звездные системы почти полностью состоят из пустого пространства.

Космическое пространство не начинается на определенной высоте над поверхностью Земли. Линия Кармана , находящаяся на высоте 100 км (62 мили) над уровнем моря, традиционно используется в качестве начала космического пространства в космических договорах и для ведения аэрокосмической документации. Рамки международного космического права были установлены Договором по космосу , который вступил в силу 10 октября 1967 года. Этот договор исключает любые притязания на национальный суверенитет и разрешает всем государствам свободно исследовать космическое пространство . Несмотря на разработку резолюций ООН по использованию космического пространства в мирных целях, противоспутниковое оружие было испытано на околоземной орбите.

Люди начали физическое освоение космоса в 20 веке с появлением полетов на воздушных шарах на большой высоте . За этим последовали пилотируемые полеты на ракетах, а затем и на околоземную орбиту , впервые осуществленную Юрием Гагариным из Советского Союза в 1961 году. Из-за высокой стоимости полета в космос полет человека в космос был ограничен низкой околоземной орбитой и Луной . С другой стороны, необитаемые космические аппараты достигли все известных планет в Солнечной системе .

Космическое пространство представляет собой сложную среду для исследования человека из-за опасности вакуума и радиации . Микрогравитация также оказывает негативное влияние на физиологию человека , вызывая как атрофию мышц, так и потерю костной массы . Помимо этих проблем со здоровьем и окружающей средой, очень высока экономическая стоимость вывода объектов, в том числе людей, в космос.

Становление и состояние

Это художественная концепция метрического расширения пространства , где объем Вселенной представлен в каждом временном интервале круглыми сечениями. Слева изображена быстрая инфляция от начального состояния с последующим более устойчивым расширением до сегодняшнего дня, показанного справа.

Размер всей вселенной неизвестен и может быть бесконечным. Согласно теории Большого взрыва, очень ранняя Вселенная была чрезвычайно горячим и плотным состоянием около 13,8 миллиарда лет назад, которое быстро расширялось . Примерно 380 000 лет спустя Вселенная остыла достаточно, чтобы позволить протонам и электронам объединиться и образовать водород - так называемая эпоха рекомбинации . Когда это произошло, материя и энергия разъединились, что позволило фотонам свободно перемещаться в постоянно расширяющемся пространстве. Материя, оставшаяся после первоначального расширения, с тех пор подверглась гравитационному коллапсу с образованием звезд , галактик и других астрономических объектов , оставив после себя глубокий вакуум, который образует то, что сейчас называется космическим пространством. Поскольку свет имеет конечную скорость, эта теория также ограничивает размер непосредственно наблюдаемой Вселенной.

Современная форма Вселенной была определена на основе измерений космического микроволнового фона с помощью таких спутников, как зонд Уилкинсона для микроволновой анизотропии . Эти наблюдения показывают, что пространственная геометрия наблюдаемой Вселенной является « плоской », что означает, что фотоны на параллельных путях в одной точке остаются параллельными, когда они проходят через пространство до предела наблюдаемой Вселенной, за исключением локальной гравитации. Плоская Вселенная в сочетании с измеренной плотностью массы Вселенной и ускоряющимся расширением Вселенной указывает на то, что в космосе есть ненулевая энергия вакуума , которая называется темной энергией .

По оценкам, средняя плотность энергии современной Вселенной составляет 5,9 протонов на кубический метр, включая темную энергию, темную материю и барионную материю (обычную материю, состоящую из атомов). На атомы приходится всего 4,6% общей плотности энергии, или плотность одного протона на четыре кубических метра. Плотность Вселенной явно неоднородна; она варьируется от относительно высокой плотности в галактиках, включая очень высокую плотность в структурах внутри галактик, таких как планеты, звезды и черные дыры, до условий в огромных пустотах, которые имеют гораздо более низкую плотность, по крайней мере, с точки зрения видимой материи. В отличие от материи и темной материи, темная энергия, похоже, не сконцентрирована в галактиках: хотя темная энергия может составлять большую часть массы-энергии во Вселенной, влияние темной энергии на 5 порядков меньше, чем влияние гравитации материи и энергии. темная материя в Млечном Пути.

Среда

Черный фон со светящимися фигурами разного размера, разбросанными в случайном порядке.  Обычно они имеют белый, красный или синий оттенки.
Часть изображения сверхглубокого поля телескопа Хаббла, показывающая типичную часть космоса, содержащую галактики, перемежаемые глубоким вакуумом. С учетом конечной скорости света , эта точка зрения охватывает последние 13 миллиардов лет на истории космического пространства.

Космическое пространство - это наиболее близкое известное приближение к идеальному вакууму . Он практически не имеет трения , позволяя звездам, планетам и лунам свободно перемещаться по своим идеальным орбитам после начальной стадии формирования . Глубокий вакуум межгалактического пространства не лишен вещества , поскольку он содержит несколько атомов водорода на кубический метр. Для сравнения, воздух, которым дышат люди, содержит около 10 25 молекул на кубический метр. Низкая плотность вещества в космическом пространстве означает , что электромагнитное излучение может перемещаться на большие расстояния , не рассеиваясь: длина свободного пробега из фотона в межгалактическом пространстве составляет около 10 23  км, или 10 миллиардов световых лет. Несмотря на это, исчезновения , которое является поглощение и рассеяние фотонов пыли и газа, является важным фактором в галактической и межгалактической астрономии .

Звезды, планеты и луны сохраняют свою атмосферу за счет гравитационного притяжения. У атмосферы нет четко очерченной верхней границы: плотность атмосферного газа постепенно уменьшается по мере удаления от объекта, пока он не становится неотличимым от космического пространства. Атмосферное давление на Земле падает примерно до 0,032 Па на высоте 100 километров (62 миль) по сравнению со 100000 Па, согласно определению Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) как стандартное давление . Над этой высоте, изотропное давление газа быстро становится незначительным по сравнению с давлением излучения от Солнца и динамического давления на солнечном ветре . Термосфера в этом диапазоне имеет большие градиенты давления, температуры и состава, и изменяется в значительной степени из - за космической погодой .

Температура космического пространства измеряется кинетической активностью газа, как на Земле. Излучение космического пространства имеет температуру, отличную от кинетической температуры газа, а это означает, что газ и излучение не находятся в термодинамическом равновесии . Вся наблюдаемая Вселенная заполнена фотонами, которые были созданы во время Большого взрыва , известного как космическое микроволновое фоновое излучение (CMB). (Вполне вероятно, что существует соответственно большое количество нейтрино, называемое космическим нейтринным фоном .) Текущая температура черного тела фонового излучения составляет около 3  К (-270  ° C ; -454  ° F ). Температура газа в космосе может сильно различаться. Например, температура в туманности Бумеранг составляет 1 К, в то время как солнечная корона достигает температур более 1,2–2,6 миллиона К.

Магнитные поля были обнаружены в космосе почти каждого класса небесных объектов. Звездообразование в спиральных галактиках могут генерировать небольшие динамо , создавая сильную турбулентную магнитное поле вокруг 5-10 мю G . Эффект Дэвиса – Гринштейна заставляет вытянутые частицы пыли выравниваться с магнитным полем галактики, что приводит к слабой оптической поляризации . Это было использовано, чтобы показать, что упорядоченные магнитные поля существуют в нескольких близлежащих галактиках. Магнитно-гидродинамические процессы в активных эллиптических галактиках порождают характерные джеты и радиолопасти . Нетепловые радиоисточники были обнаружены даже среди самых удаленных источников с большим z , что указывает на наличие магнитных полей.

За пределами защитной атмосферы и магнитного поля существует несколько препятствий на пути прохождения через пространство энергичных субатомных частиц, известных как космические лучи. Эти частицы имеют энергии в диапазоне от 10 6  эВ до крайних 10 20  эВ космических лучей сверхвысокой энергии . Пиковый поток космических лучей происходит при энергиях около 10 9  эВ, с примерно 87% протонов, 12% ядер гелия и 1% более тяжелых ядер. В диапазоне высоких энергий поток электронов составляет всего около 1% от потока протонов. Космические лучи могут повредить электронные компоненты и представлять угрозу для здоровья космических путешественников. По словам астронавтов, таких как Дон Петтит , космос имеет запах гари / металла, который прилипает к их костюмам и оборудованию, похожий на запах горелки для дуговой сварки .

Влияние на биологию и человеческий организм

В нижней половине изображена голубая планета с пятнистыми белыми облаками.  В верхней части изображен человек в белом скафандре и маневрирующий отряд на черном фоне.
Из-за опасности вакуума астронавты должны носить герметичный скафандр, находясь вне Земли и вне своего космического корабля.

Несмотря на суровые условия окружающей среды, было обнаружено несколько форм жизни, способных выдерживать экстремальные космические условия в течение продолжительных периодов времени. В 2007 году виды лишайников, переносимые на установке ЕКА БИОПАН , выдерживали воздействие в течение десяти дней. Семена Arabidopsis thaliana и Nicotiana tabacum прорастали после 1,5 года пребывания в космосе. Штамм bacillus subtilis выжил 559 дней при воздействии на низкую околоземную орбиту или в смоделированной марсианской среде. Гипотеза литопанспермии предполагает, что горные породы, выброшенные в космическое пространство с жизненно важных планет, могут успешно переносить формы жизни в другой обитаемый мир. Предполагается, что именно такой сценарий имел место в начале истории Солнечной системы, когда между Венерой, Землей и Марсом происходил обмен породами , потенциально несущими микроорганизмы .

Даже на относительно небольших высотах в атмосфере Земли условия враждебны человеческому организму. Высота, на которой атмосферное давление соответствует давлению пара воды при температуре человеческого тела , называется линией Армстронга , названной в честь американского врача Гарри Г. Армстронга . Он расположен на высоте около 19,14 км (11,89 миль). На уровне или выше линии Армстронга жидкость в горле и легких выкипает. Точнее говоря, открытые жидкости организма, такие как слюна, слезы и жидкости в легких, выкипают. Следовательно, на этой высоте для выживания человека требуется скафандр или герметичная капсула.

Вне космоса внезапное воздействие на незащищенного человека очень низкого давления , например, во время быстрой декомпрессии, может вызвать легочную баротравму - разрыв легких из-за большой разницы между давлением внутри и снаружи грудной клетки. Даже если дыхательные пути пациента полностью открыты, поток воздуха через дыхательное горло может быть слишком медленным, чтобы предотвратить разрыв. Быстрая декомпрессия может привести к разрыву барабанных перепонок и носовых пазух, в мягких тканях могут возникнуть синяки и просачивание крови, а шок может вызвать увеличение потребления кислорода, что приводит к гипоксии .

В результате быстрой декомпрессии растворенный в крови кислород попадает в легкие, чтобы попытаться уравнять градиент парциального давления . Как только дезоксигенированная кровь попадает в мозг, люди теряют сознание через несколько секунд и умирают от гипоксии в течение нескольких минут. Кровь и другие биологические жидкости закипают, когда давление падает ниже 6,3 кПа, и это состояние называется эбулизмом . Пар может раздувать тело вдвое по сравнению с нормальным размером и замедлять циркуляцию, но ткани эластичны и достаточно пористы, чтобы предотвратить разрыв. Эбулизм замедляется давлением в кровеносных сосудах, поэтому часть крови остается жидкой. Набухание и эбуллизм можно уменьшить, поместив в скафандр . Костюм высотной защиты экипажа (CAPS), эластичная одежда, разработанная в 1960-х годах для космонавтов, предотвращает эбулизм при давлении до 2 кПа. Дополнительный кислород необходим на расстоянии 8 км (5 миль), чтобы обеспечить достаточное количество кислорода для дыхания и предотвратить потерю воды, а на высоте более 20 км (12 миль) скафандры необходимы для предотвращения эбулизма. В большинстве скафандров используется около 30–39 кПа чистого кислорода, примерно столько же, сколько на поверхности Земли. Это давление достаточно велико, чтобы предотвратить эбулизм, но испарение азота, растворенного в крови, может вызвать декомпрессионную болезнь и газовую эмболию, если не принять меры .

Люди эволюционировали для жизни в условиях земного притяжения , и было показано, что воздействие невесомости оказывает пагубное влияние на здоровье человека. Первоначально более 50% космонавтов испытывают космическую болезнь движения . Это может вызвать тошноту и рвоту , головокружение , головные боли, вялость и общее недомогание. Продолжительность космической болезни варьируется, но обычно длится 1-3 дня, после чего организм приспосабливается к новой среде. Длительное пребывание в невесомости приводит к атрофии мышц и разрушению скелета или остеопении в космическом полете . Эти эффекты можно свести к минимуму с помощью режима упражнений. Другие эффекты включают перераспределение жидкости, замедление работы сердечно-сосудистой системы , снижение выработки красных кровяных телец , нарушения баланса и ослабление иммунной системы . Менее выраженные симптомы включают потерю массы тела, заложенность носа, нарушение сна и отечность лица.

Во время длительных космических путешествий радиация может представлять серьезную опасность для здоровья . Воздействие высокой энергии ионизирующих космических лучей может привести к усталости, тошнота, рвота, а также повреждение иммунной системы и изменения в белых клеток крови кол. При более длительном воздействии симптомы включают повышенный риск рака , а также повреждение глаз , нервной системы , легких и желудочно-кишечного тракта . Во время трехлетнего полета на Марс в оба конца большая часть клеток в теле космонавта будет пересечена и потенциально повреждена ядрами с высокой энергией. Энергия таких частиц значительно снижается за счет защиты, обеспечиваемой стенками космического корабля, и может быть дополнительно уменьшена за счет емкостей с водой и других барьеров. Воздействие космических лучей на экранирование создает дополнительное излучение, которое может повлиять на экипаж. Необходимы дальнейшие исследования для оценки радиационной опасности и определения подходящих контрмер.

Регионы

Космос - это частичный вакуум: его различные области определяются различными атмосферами и «ветрами», которые доминируют в них, и простираются до точки, в которой эти ветры уступают место тем, что за их пределами. Геокосмическое пространство простирается от атмосферы Земли до внешних границ магнитного поля Земли, после чего уступает место солнечному ветру межпланетного пространства. Межпланетное пространство простирается до гелиопаузы, после чего солнечный ветер уступает место ветрам межзвездной среды . Затем межзвездное пространство продолжается до краев галактики, где исчезает в межгалактической пустоте.

Геокосмическая промышленность

Нижняя половина - сине-белая планета при слабом освещении.  Туманные красные полосы поднимаются от края диска к черному небу.  По левому краю виден космический шаттл.
Северное сияние, наблюдаемое с космического корабля " Дискавери" на STS-39 , май 1991 г. (высота орбиты: 260 км)

Геокосмическое пространство - это область космического пространства около Земли, включая верхние слои атмосферы и магнитосферу . В пояса Ван Аллена излучения лежат в пределах геопространства. Внешняя граница геопространства - это магнитопауза , которая образует границу между магнитосферой Земли и солнечным ветром. Внутренняя граница - ионосфера . Изменчивые космические погодные условия в геопространстве зависят от поведения Солнца и солнечного ветра; тема геопространства неразрывно связана с гелиофизикой - изучением Солнца и его влияния на планеты Солнечной системы.

Дневная магнитопауза сжимается давлением солнечного ветра - подсолнечное расстояние от центра Земли обычно составляет 10 земных радиусов. С ночной стороны солнечный ветер растягивает магнитосферу, образуя хвост магнитосферы, который иногда простирается более чем на 100–200 земных радиусов. Примерно четыре дня каждого месяца поверхность Луны защищена от солнечного ветра, поскольку Луна проходит через хвост магнитосферы.

Геопространство населено электрически заряженными частицами с очень низкой плотностью, движение которых контролируется магнитным полем Земли . Эта плазма образует среду, из которой штормовые возмущения, вызванные солнечным ветром, могут направлять электрические токи в верхние слои атмосферы Земли. Геомагнитные бури могут беспокоить две области геопространства: радиационные пояса и ионосферу. Эти штормы увеличивают потоки энергичных электронов, которые могут необратимо повредить спутниковую электронику, создавая помехи коротковолновой радиосвязи, а также местоположению и времени GPS . Магнитные бури также могут представлять опасность для космонавтов даже на низкой околоземной орбите. Они также создают полярные сияния, наблюдаемые на высоких широтах в овале, окружающем геомагнитные полюса .

Несмотря на то, что соответствует определению космического пространства, плотность атмосферы в течение первых нескольких сотен километров выше линии Кармана еще достаточно , чтобы произвести значительное лобовое сопротивление на спутниках . Этот регион содержит материал, оставшийся от предыдущих запусков с экипажем и без экипажа, которые представляют потенциальную опасность для космических кораблей. Часть этого мусора периодически возвращается в атмосферу Земли.

Прилунное пространство

Lunar Gateway , одна из запланированных космических станций для полетов на Луну с экипажем в 2020-х годах.

Гравитация Земли удерживает Луну на орбите на среднем расстоянии 384 403 км (238 857 миль). Область за пределами атмосферы Земли и простирающаяся сразу за орбитой Луны , включая точки Лагранжа , иногда называют цислунным пространством .

Глубокий космос определяется правительством Соединенных Штатов и другими как любой регион за пределами цислунного пространства. Международный союз электросвязи отвечает за радиосвязи ( в том числе спутников) определяет начало глубокий космос приблизительно в 5 раз выше , чем расстояние (2 × 10 6  км ).

Область, в которой гравитация Земли остается доминирующей по отношению к гравитационным возмущениям от Солнца, называется сферой Хилла . Это простирается в транслунное пространство на расстояние примерно 1% от среднего расстояния от Земли до Солнца, или 1,5 миллиона км (0,93 миллиона миль).

Межпланетное пространство

Внизу слева на черном фоне выделяется белая кома.  Туманность струится вверх и влево, медленно исчезает с расстоянием.
Редкая плазма (синий) и пыль (белый) в хвосте кометы Хейла – Боппа формируются под давлением солнечного излучения и солнечного ветра соответственно.

Межпланетное пространство определяется солнечным ветром, непрерывным потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца, который создает очень тонкую атмосферу ( гелиосферу ) на миллиарды километров в космос. Этот ветер имеет плотность частиц 5–10 протонов / см 3 и движется со скоростью 350–400 км / с (780 000–890 000 миль в час). Межпланетное пространство простирается до гелиопаузы, где влияние галактического окружения начинает преобладать над магнитным полем и потоком частиц от Солнца. Расстояние и сила гелиопаузы варьируются в зависимости от уровня активности солнечного ветра. Гелиопауза, в свою очередь, отклоняет галактические космические лучи с низкой энергией, причем этот эффект модуляции достигает максимума во время солнечного максимума.

Объем межпланетного пространства представляет собой почти полный вакуум со средней длиной свободного пробега около одной астрономической единицы на орбитальном расстоянии от Земли. Это пространство не совсем пусто и редко заполнено космическими лучами, которые включают ионизированные атомные ядра и различные субатомные частицы. Есть также газ, плазма и пыль, небольшие метеоры и несколько десятков типов органических молекул, обнаруженных на сегодняшний день с помощью микроволновой спектроскопии . Облако межпланетной пыли видно ночью в виде слабой полосы, называемой зодиакальным светом .

Межпланетное пространство содержит магнитное поле, создаваемое Солнцем. Есть также магнитосферы, генерируемые такими планетами, как Юпитер, Сатурн, Меркурий и Земля, которые имеют свои собственные магнитные поля. Под влиянием солнечного ветра они имеют форму капли, с длинным хвостом, выходящим наружу за планету. Эти магнитные поля могут улавливать частицы солнечного ветра и других источников, создавая пояса заряженных частиц, такие как радиационные пояса Ван Аллена. Атмосфера планет без магнитных полей, таких как Марс, постепенно разрушается солнечным ветром.

Межзвездное пространство

Пятнистая оранжево-синяя туманность на черном фоне с изогнутой оранжевой дугой, огибающей звезду в центре.
Головная ударная волна, образованная магнитосферой молодой звезды LL Орионис (в центре) при столкновении с потоком туманности Ориона

Межзвездное пространство - это физическое пространство внутри галактики, за пределами влияния каждой звезды на окружающую плазму. Содержимое межзвездного пространства называется межзвездной средой. Примерно 70% массы межзвездной среды состоит из неподеленных атомов водорода; большая часть остатка состоит из атомов гелия. Он обогащен следами более тяжелых атомов, образованных в результате звездного нуклеосинтеза . Эти атомы выбрасываются в межзвездную среду звездными ветрами или когда эволюционирующие звезды начинают сбрасывать свои внешние оболочки, например, во время образования планетарной туманности . Катаклизмический взрыв сверхновой создает расширяющуюся ударную волну, состоящую из выброшенных материалов, которые еще больше обогащают среду. Плотность вещества в межзвездной среде может значительно варьироваться: в среднем составляет около 10 6 частиц на м 3 , но холодные молекулярные облака могут содержать 10 8 –10 12 частиц на м 3 .

В межзвездном пространстве существует ряд молекул , а также крошечные частицы пыли размером 0,1  мкм . Число молекул, обнаруженных с помощью радиоастрономии , неуклонно растет со скоростью около четырех новых видов в год. Большие области вещества с более высокой плотностью, известные как молекулярные облака, позволяют протекать химическим реакциям, включая образование органических многоатомных частиц. Большая часть этой химии вызвана столкновениями. Энергетические космические лучи проникают через холодные плотные облака и ионизируют водород и гелий, в результате чего образуется, например, трехводородный катион . Затем ионизированный атом гелия может расщепить относительно обильный монооксид углерода с образованием ионизированного углерода, что, в свою очередь, может привести к органическим химическим реакциям.

Локальная межзвездная среда - это область пространства в пределах 100  парсек (пк) от Солнца, которая представляет интерес как из-за ее близости, так и из-за ее взаимодействия с Солнечной системой. Этот объем почти совпадает с областью пространства, известной как Местный пузырь , который характеризуется отсутствием плотных холодных облаков. Он образует полость в Orion Arm галактики Млечного Пути, с плотными молекулярными облаками , лежащих вдоль границ, таких как те , в созвездиях из Змееносца и Тельца . (Фактическое расстояние до границы этой полости варьируется от 60 до 250 пк или более.) Этот объем содержит около 10 4 –10 5 звезд, а местный межзвездный газ уравновешивает астросферы , окружающие эти звезды, при этом объем каждой сферы варьируется. в зависимости от локальной плотности межзвездной среды. Местный пузырь содержит десятки теплых межзвездных облаков с температурой до 7000 К и радиусом 0,5–5 пк.

Когда звезды движутся с достаточно высокими пекулярными скоростями , их астросферы могут генерировать ударные волны при столкновении с межзвездной средой. В течение десятилетий считалось, что у Солнца есть ударная волна. В 2012 году данные от Interstellar Boundary Explorer (IBEX) и зондов НАСА Voyager показали, что ударная волна в носовой части Солнца не существует. Вместо этого эти авторы утверждают, что дозвуковая волна определяет переход от потока солнечного ветра к межзвездной среде. Головная ударная волна - это третья граница астросферы после завершающей ударной волны и астропаузы (называемой в Солнечной системе гелиопаузой).

Межгалактическое пространство

Структура Вселенной
Распределение материи в кубическом сечении Вселенной. Голубые волокнистые структуры представляют материю, а пустые области между ними представляют космические пустоты межгалактической среды.
Звезда область образующей в Большом Магеллановом Облаке , пожалуй, ближе к Galaxy Земли Млечного Пути

Межгалактическое пространство - это физическое пространство между галактиками. Исследования крупномасштабного распределения галактик показывают, что Вселенная имеет структуру, похожую на пену, с группами и скоплениями галактик, расположенными вдоль волокон, которые занимают примерно десятую часть всего пространства. Остальная часть образует огромные пустоты, в основном пустые от галактик. Как правило, через пустоты пролеты расстояние (10-40) ч -1 Мпк, где ч является постоянной Хаббла в единицах 100 км с -1 Мпк -1 , или безразмерной константой Хаббла .

Вокруг и между галактиками простирается разреженная плазма, которая организована в галактическую нитевидную структуру. Этот материал называется межгалактической средой (МГС). Плотность IGM в 5–200 раз больше средней плотности Вселенной. Он состоит в основном из ионизированного водорода; т.е. плазма, состоящая из равного числа электронов и протонов. Когда газ попадает в межгалактическую среду из пустот, он нагревается до температур от 10 5  К до 10 7  К, что достаточно высоко, чтобы столкновения между атомами имели достаточно энергии, чтобы заставить связанные электроны вырваться из ядер водорода; вот почему IGM ионизирован. При таких температурах она называется межгалактической теплой-горячей средой (WHIM). (Хотя плазма очень горячая по земным стандартам, 10 5 K часто называют «теплой» в астрофизике.) Компьютерное моделирование и наблюдения показывают, что до половины атомной материи во Вселенной может находиться в этом теплом – горячем, разреженном состоянии. . Когда газ падает из нитевидных структур WHIM в скопления галактик на пересечении космических нитей, он может нагреваться еще больше, достигая температур 10 8  K и выше в так называемой внутрикластерной среде (ICM).

Околоземная орбита

Космический аппарат переходит на орбиту , когда его центростремительное ускорение вследствие гравитации меньше или равна центробежной ускорение за счет горизонтальной составляющей его скорости. Для низкой околоземной орбиты эта скорость составляет около 7 800 м / с (28 100 км / ч; 17 400 миль / ч); Напротив, самая высокая скорость пилотируемого самолета, когда-либо достигнутая (не считая скорости, достигаемой при снятии с орбиты космического корабля), составляла 2200 м / с (7900 км / ч; 4900 миль / ч) в 1967 году у североамериканского X-15 .

Чтобы выйти на орбиту, космический корабль должен лететь быстрее, чем суборбитальный космический полет . Энергия, необходимая для достижения орбитальной скорости Земли на высоте 600 км (370 миль), составляет около 36  МДж / кг, что в шесть раз больше энергии, необходимой просто для набора высоты. Космические аппараты с перигеем менее 2000 км (1200 миль) подвержены сопротивлению атмосферы Земли, что снижает высоту орбиты. Скорость орбитального распада зависит от площади поперечного сечения и массы спутника, а также от изменений плотности воздуха в верхних слоях атмосферы. Ниже 300 км (190 миль) распад становится более быстрым, а время жизни измеряется днями. Как только спутник опускается на 180 км (110 миль), у него есть всего несколько часов, прежде чем он испарится в атмосфере. Скорость убегания, необходимая для полного выхода из гравитационного поля Земли и перехода в межпланетное пространство, составляет около 11 200 м / с (40 300 км / ч; 25 100 миль в час).

Граница

Белый ракетный корабль с крыльями необычной формы покоится на взлетно-посадочной полосе.
SpaceShipOne совершил первый частный космический полет человека в 2004 году, достигнув высоты 100,12 км (62,21 мили).

Между атмосферой Земли и космосом нет четкой границы , поскольку плотность атмосферы постепенно уменьшается с увеличением высоты. Есть несколько стандартных обозначений границ, а именно:

  • Международной Авиационной Федерации установила линию Кармана на высоте 100 км (62 миль) в качестве рабочего определения для границы между аэронавтики и астронавтики. Это используется потому, что на высоте около 100 км (62 мили), как подсчитал Теодор фон Карман , транспортное средство должно было бы двигаться быстрее, чем орбитальная скорость, чтобы получить достаточную аэродинамическую подъемную силу из атмосферы, чтобы поддерживать себя.
  • В Соединенных Штатах астронавтами назначаются люди, которые путешествуют на высоте более 50 миль (80 км) .
  • Космический шаттл НАСА использовал высоту 400000 футов (122 км, 76 миль) в качестве высоты входа (так называемый интерфейс входа), что примерно отмечает границу, на которой атмосферное сопротивление становится заметным, тем самым начиная процесс переключения с управления с помощью двигателей на подруливающие устройства. маневрирование с аэродинамическими рулями.

В 2009 году ученые сообщили о подробных измерениях с помощью Supra-Thermal Ion Imager (прибор, который измеряет направление и скорость ионов), который позволил им установить границу на высоте 118 км (73,3 мили) над Землей. Граница представляет собой середину постепенного перехода на протяжении десятков километров от относительно слабых ветров земной атмосферы к более сильным потокам заряженных частиц в космосе, которые могут достигать скорости более 268 м / с (600 миль в час).

Легальное положение

Наверху темная ракета испускает яркий шлейф пламени на фоне голубого неба.  Внизу столб дыма частично скрывает военный корабль.
2008 г. пуск ракеты SM-3 для поражения американского разведывательного спутника USA-193.

Договор по космосу обеспечивает базовые рамки международного космического права. Он охватывает законное использование космического пространства национальными государствами и включает в свое определение космического пространства , Луны и других небесных тел. В договоре говорится, что космическое пространство является свободным для исследования всеми национальными государствами и не подлежит притязаниям на национальный суверенитет , называя космическое пространство «достоянием всего человечества». Этот статус общего наследия человечества использовался, хотя и не без возражений, для обеспечения права на доступ и совместное использование космического пространства для всех стран в равной степени, особенно для стран, не занимающихся космическими полетами. Он также запрещает разработку ядерного оружия в космическом пространстве. Договор был принят Генеральной Ассамблеей Организации Объединенных Наций в 1963 году и подписан в 1967 году СССР, Соединенными Штатами Америки и Соединенным Королевством. По состоянию на 2017 год 105 государств-участников ратифицировали договор или присоединились к нему. Еще 25 государств подписали договор, но не ратифицировали его.

С 1958 года космическое пространство было предметом множества резолюций Организации Объединенных Наций. Из них более 50 были посвящены международному сотрудничеству в использовании космического пространства в мирных целях и предотвращению гонки вооружений в космосе. Комитетом ООН по использованию космического пространства в мирных целях были согласованы и подготовлены четыре дополнительных договора по космическому праву . Тем не менее, правового запрета на размещение обычных вооружений в космосе не существует, а противоспутниковое оружие успешно прошло испытания в США, СССР, Китае, а в 2019 году - в Индии. Договор о Луне 1979 года передал международному сообществу юрисдикцию над всеми небесными телами (включая орбиты вокруг таких тел). Договор не был ратифицирован ни одной страной, которая в настоящее время занимается пилотируемыми космическими полетами.

В 1976 году восемь экваториальных государств ( Эквадор , Колумбия , Бразилия , Конго , Заир , Уганда , Кения и Индонезия ) встретились в Боготе , Колумбия. В своей « Декларации Первого совещания экваториальных стран» или «Боготской декларации» они заявили о контроле над участком геосинхронной орбитальной траектории, соответствующим каждой стране. Эти претензии не принимаются во всем мире.

Открытие, исследование и приложения

Открытие

В 350 г. до н. Э. Греческий философ Аристотель предположил, что природа не терпит пустоты , и этот принцип получил название « ужас вакуума» . Эта концепция основана на онтологическом аргументе V века до н.э. греческого философа Парменида , который отрицал возможное существование пустоты в пространстве. Основываясь на идее о том, что вакуума не может быть, на Западе многие столетия считали, что космос не может быть пустым. Еще в 17 веке французский философ Рене Декарт утверждал, что все пространство должно быть заполнено.

В древнем Китае астроном 2-го века Чжан Хэн пришел к убеждению, что пространство должно быть бесконечным и выходить далеко за рамки механизма, поддерживающего Солнце и звезды. В сохранившихся книгах школы Сюань Е говорится, что небеса безграничны, «пусты и лишены сущности». Точно так же «солнце, луна и компания звезд плавают в пустом пространстве, двигаясь или стоя на месте».

Итальянский ученый Галилео Галилей знал, что воздух имеет массу и поэтому подвержен действию гравитации. В 1640 году он продемонстрировал, что установленная сила сопротивляется образованию вакуума. Его ученице Евангелисте Торричелли оставалось создать прибор, который создавал бы частичный вакуум в 1643 году. Этот эксперимент привел к созданию первого ртутного барометра и произвел научную сенсацию в Европе. Французский математик Блез Паскаль рассуждал, что если столб ртути поддерживается воздухом, то столб должен быть короче на большей высоте, где давление воздуха ниже. В 1648 году его зять Флорин Перье повторил эксперимент на горе Пюи-де-Дом в центральной Франции и обнаружил, что колонна была на три дюйма короче. Это снижение давления было далее продемонстрировано, когда наполовину полный воздушный шар поднимался в гору и наблюдал, как он постепенно расширяется, а затем сжимается при спуске.

Стеклянная витрина содержит механическое устройство с рычагом, а также две металлические полусферы, прикрепленные к тросам.
Оригинальные полушария Магдебурга (внизу слева), использованные для демонстрации вакуумного насоса Отто фон Герике (справа)

В 1650 году немецкий ученый Отто фон Герике сконструировал первый вакуумный насос: устройство, которое еще больше опровергло принцип ужасного вакуума . Он правильно заметил, что атмосфера Земли окружает планету как оболочка, плотность которой постепенно уменьшается с высотой. Он пришел к выводу, что между Землей и Луной должен быть вакуум.

Еще в 15 веке немецкий теолог Николай Кузан предположил, что у Вселенной нет центра и окружности. Он считал, что Вселенная, хотя и не бесконечна, не может считаться конечной, поскольку у нее отсутствуют какие-либо границы, в которых она может содержаться. Эти идеи привели к размышлениям итальянского философа Джордано Бруно о бесконечном измерении пространства в 16 веке. Он расширил гелиоцентрическую космологию Коперника до концепции бесконечной Вселенной, заполненной веществом, которое он назвал эфиром , который не сопротивлялся движению небесных тел. Английский философ Уильям Гилберт пришел к аналогичному выводу, утверждая, что звезды видимы для нас только потому, что они окружены тонким эфиром или пустотой. Эта концепция эфира возникла у древнегреческих философов, включая Аристотеля, который рассматривал его как среду, через которую движутся небесные тела.

Представление о Вселенной, наполненной светоносным эфиром, поддерживалось некоторыми учеными до начала 20 века. Эта форма эфира рассматривалась как среда, через которую мог распространяться свет. В 1887 году эксперимент Майкельсона-Морли попытался обнаружить движение Земли через эту среду, ища изменения скорости света в зависимости от направления движения планеты. Результат нулевой указано что - то было не так с концепцией. Тогда от идеи светоносного эфира отказались. На смену ей пришла специальная теория относительности Альберта Эйнштейна , согласно которой скорость света в вакууме является фиксированной константой, не зависящей от движения наблюдателя или системы отсчета .

Первым профессиональным астрономом, поддержавшим концепцию бесконечной Вселенной, был англичанин Томас Диггес в 1576 году. Но масштаб Вселенной оставался неизвестным до первого успешного измерения расстояния до ближайшей звезды в 1838 году немецким астрономом Фридрихом Бесселем . Он показал , что система звезды 61 Лебедя был параллакс составляет всего 0,31  угловых секунд ( по сравнению с современной стоимостью 0,287 "). Это соответствует расстоянию более 10 световых лет . В 1917 году Хебер Кертис заметил, что новые звезды в спиральных туманностях в среднем на 10 звезд слабее галактических новых, предполагая, что первые находятся в 100 раз дальше. Расстояние до Галактики Андромеды было определено в 1923 году американским астрономом Эдвином Хабблом путем измерения яркости переменных цефеид в этой галактике - нового метода, открытого Генриеттой Ливитт . Это установило, что галактика Андромеды, а также все галактики, лежат далеко за пределами Млечного Пути .

Современная концепция космического пространства основана на космологии «Большого взрыва» , впервые предложенной в 1931 году бельгийским физиком Жоржем Лемэтром . Эта теория утверждает, что Вселенная произошла из очень плотной формы, которая с тех пор подвергалась непрерывному расширению .

Самая ранняя известная оценка температуры космического пространства была сделана швейцарским физиком Шарлем Э. Гийом в 1896 году. Используя оценку излучения фоновых звезд, он пришел к выводу, что пространство должно быть нагрето до температуры 5–6 К. Британский физик Артур Эддингтон сделал аналогичный расчет, чтобы получить температуру 3,18 К в 1926 году. Немецкий физик Эрих Регенер использовал полную измеренную энергию космических лучей, чтобы оценить межгалактическую температуру в 2,8 К в 1933 году. Американские физики Ральф Альфер и Роберт Херман предсказали 5 К для температуры космоса в 1948 году, основываясь на постепенном уменьшении фоновой энергии после того, как новая теория Большого взрыва . Современные измерения космического микроволнового фона составляют около 2,7K.

Термин « внешнее пространство» был использован в 1842 году английской поэтессой леди Эммелин Стюарт-Уортли в ее стихотворении «Дева Москвы». Выражение « космическое пространство» использовалось в качестве астрономического термина Александром фон Гумбольдтом в 1845 году. Позднее оно было популяризировано в трудах Герберта Уэллса в 1901 году. Более короткий термин « космос» старше, впервые использованный для обозначения области за пределами земного неба у Джона Мильтона » s Потерянный рай в 1667 году.

Исследование и применение

Первый снимок всей Земли, сделанный человеком, вероятно, сфотографированный Уильямом Андерсом с Аполлона 8 . Юг вверху; Южная Америка находится посередине.

На протяжении большей части истории человечества космос исследовался с помощью наблюдений с поверхности Земли - сначала невооруженным глазом, а затем с помощью телескопа. До появления надежных ракетных технологий самое близкое к достижению человеком космическое пространство - это полеты на воздушном шаре. В 1935 году пилотируемый воздушный шар US Explorer II достиг высоты 22 км (14 миль). Это было значительно превышено в 1942 году, когда третий пуск немецкой ракеты А-4 поднялся на высоту около 80 км (50 миль). В 1957 году спутник « Спутник-1» без экипажа был запущен российской ракетой Р-7 , достигнув околоземной орбиты на высоте 215–939 километров (134–583 мили). За этим последовал первый полет человека в космос в 1961 году, когда Юрий Гагарин был отправлен на орбиту Восток-1 . Первыми людьми, которые покинули низкую околоземную орбиту, были Фрэнк Борман , Джим Ловелл и Уильям Андерс в 1968 году на борту американского космического корабля «Аполлон-8» , который достиг лунной орбиты и достиг максимального расстояния 377 349 км (234 474 миль) от Земли.

Первым космическим кораблем, достигшим космической скорости, был советский « Луна-1» , совершивший облет Луны в 1959 году. В 1961 году « Венера-1» стала первым планетарным зондом. Он выявил присутствие солнечного ветра и совершил первый пролет Венеры , хотя контакт был утерян еще до достижения Венеры. Первой успешной планетарной миссией был пролет Маринера-2 над Венерой в 1962 году . Первый пролет Марса был осуществлен « Маринером-4» в 1964 году. С тех пор беспилотные космические корабли успешно исследовали каждую из планет Солнечной системы, а также их спутники и множество малых планет и комет. Они остаются основным инструментом для исследования космического пространства, а также для наблюдения за Землей. В августе 2012 года « Вояджер-1» стал первым искусственным объектом, покинувшим Солнечную систему и вошедшим в межзвездное пространство .

Отсутствие воздуха делает космическое пространство идеальным местом для астрономии на всех длинах волн электромагнитного спектра . Об этом свидетельствуют впечатляющие изображения, отправленные космическим телескопом Хаббла , позволяющие наблюдать свет, появившийся более 13 миллиардов лет назад - почти во время Большого взрыва. Не каждое место в космосе идеально подходит для телескопа. Межпланетная зодиакальная пыль излучает диффузное излучение ближнего инфракрасного диапазона , который может маскировать излучение слабых источников , такие как экзопланет. Перемещение инфракрасного телескопа мимо пыли увеличивает его эффективность. Точно так же такое место, как кратер Дедал на обратной стороне Луны, могло бы защитить радиотелескоп от радиочастотных помех, которые затрудняют наблюдения с Земли.

Беспилотные космические корабли на околоземной орбите - важная технология современной цивилизации. Они позволяют осуществлять прямой мониторинг погодных условий , ретранслировать средства связи на большие расстояния, такие как телевидение, обеспечивают средства точной навигации и позволяют осуществлять дистанционное зондирование Земли. Последняя роль служит широкому спектру целей, включая отслеживание влажности почвы для сельского хозяйства, прогнозирование оттока воды из сезонных снежных покровов, обнаружение болезней растений и деревьев и наблюдение за военной деятельностью.

Глубокий космический вакуум может сделать его привлекательной средой для определенных промышленных процессов, например тех, которые требуют сверхчистой поверхности. Как и добыча астероидов , космическое производство потребует больших финансовых вложений с небольшими перспективами немедленной отдачи. Важным фактором общих затрат является высокая стоимость вывода массы на околоземную орбиту: 8 000–26 000 долларов за кг, согласно оценке 2006 года (с учетом инфляции с тех пор). Стоимость доступа в космос снизилась с 2013 года. Частично многоразовые ракеты, такие как Falcon 9 , снизили доступ в космос до уровня ниже 3500 долларов за килограмм. С этими новыми ракетами стоимость отправки материалов в космос остается непомерно высокой для многих отраслей промышленности. Предлагаемые концепции для решения этой проблемы включают в себя полностью многоразовые пусковые системы , неракетные космические запуски , тросы для обмена импульсом и космические лифты .

Межзвездное путешествие для человеческой команды остается в настоящее время только теоретической возможностью. Расстояния до ближайших звезд означают, что для этого потребуются новые технологические разработки и возможность безопасно поддерживать экипажи для путешествий на несколько десятилетий. Например, Дедал проекта исследования, который был предложен космический аппарат питается от слияния из дейтерия и гелия-3 , потребуется 36 лет , чтобы достичь «поблизости» Альфа Центавра системы. Другие предлагаемые межзвездные двигательные установки включают легкие паруса , прямоточные воздушно-воздушные двигатели и силовые установки с лучевой тягой . Более совершенные двигательные установки могут использовать антивещество в качестве топлива, потенциально достигая релятивистских скоростей .

Смотрите также

использованная литература

Цитаты

Источники

внешние ссылки