Межзвездная пыль

Эмбриональная колонизация космоса

Очевидно, все это, в свою очередь, поднимает огромный ворох вопросов, вроде того, кто и как будет осуществлять взращивание эмбрионов. Роботы могли бы воспитать людей, но какими будут люди, которых вырастили роботы? Смогут ли роботы понять, что нужно ребенку, чтобы расти и процветать? Смогут ли понять наказания и поощрения, человеческие эмоции? Да и вообще, еще предстоит выяснить, как сохранять замороженные эмбрионы в целости сотни лет и как выращивать их в искусственной среде.

Одним из предложенных решений, которое может решить проблемы робота-няньки, может стать создание комбинации из корабля с эмбрионами и корабля с анабиозом, в котором спять взрослые, готовые проснуться, когда им придется растить детей. Череда лет воспитания детей вместе с возвращением к состоянию спячки может, в теории, привести к стабильной популяции. Тщательно созданная партия эмбрионов может обеспечить генетическое разнообразие, которое позволит поддерживать популяцию в более-менее устойчивом состоянии после установления колонии. В корабль с эмбрионами можно включить также дополнительную партию, которая позволит в дальнейшем еще больше разнообразить генетический фонд.

Возможные методы

Экстремальные длительные путешествия

Путешествие в другие галактики со скоростью, меньшей скорости света, потребует времени в пути от сотен тысяч до многих миллионов лет. На сегодняшний день был сделан только один такой дизайн.

Гиперскорости звёзд

См. также: Межгалактическая звезда

Теоретически в 1988 году и наблюдавшиеся в 2005 году звёзды движутся быстрее, чем вторая космическая скорость Млечного Пути, и выходят в межгалактическое пространство. Существует несколько теорий их существования. Одним из механизмов было бы то, что сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути выбрасывает звёзды из галактики с частотой примерно одна каждые сто тысяч лет. Другим теоретическим механизмом может быть взрыв сверхновой в двойной системе.

Эти звёзды движутся со скоростью до 3000 км/с. Тем не менее, недавно (ноябрь 2014 года) звёзды, достигшие значительной доли скорости света, были постулированы на основе численных методов. Названные авторами полурелятивистские звёзды, имеющие гиперскорости, будут выброшены в результате слияния сверхмассивных чёрных дыр в сталкивающихся галактиках. Авторы считают, что эти звёзды будут обнаружены с помощью будущих телескопов. Эти звёзды можно будет использовать, выйдя на их орбиту, и далее просто ожидать прибытия на нужное место во вселенной.

См. также: Звёздная машина

Другое предложение заключается в в направлении другой галактики.

Замедление времени

Несмотря на то, что свету требуется около 2,54 миллиона лет, чтобы пересечь космическую пропасть между Землёй и, например, Галактикой Андромеды, из-за эффектов замедления времени с точки зрения путешественника потребуется гораздо меньше времени, близкого к скорости света; время, которое испытывает путешественник, зависит как от скорости (что-либо меньше скорости света), так и от пройденного расстояния (лоренцево сокращение — релятивистское сокращение длины движущегося тела или масштаба). Поэтому теоретически межгалактическое путешествие для людей возможно с точки зрения путешественника.

Ускорение до скоростей, близких к скорости света с помощью , позволило бы значительно сократить время в пути на корабле, но потребовало бы очень большого количества энергии. Это выполнимо, если будет . Путешествие к Галактике Андромеды, находящейся на расстоянии двух миллионов световых лет, займёт всего 28 земных лет на корабле с постоянным ускорением 1g и замедлением 1g после достижения половины пути, чтобы иметь возможность остановиться.

Переход на Галактику Андромеды с таким ускорением потребует 4 100 000 кг топлива на кг полезной нагрузки с использованием нереалистичного предположения о 100 %-ом эффективном двигателе, который преобразует вещество в энергию. Снижение скорости на полпути для остановки резко увеличивает потребность в топливе до 42 триллионов кг топлива на кг полезной нагрузки. Это в десять раз больше массы горы Эверест, необходимой в топливе для каждого кг полезной нагрузки. Поскольку топливо вносит вклад в общую массу корабля, ношение большего количества топлива также увеличивает энергию, необходимую для движения с определённым ускорением, и дополнительное топливо, добавленное для компенсации увеличенной массы, ещё больше усугубит проблему.

Потребность в топливе для полёта в Галактику Андромеды с постоянным ускорением означает, что либо полезная нагрузка должна быть очень маленькой, либо космический корабль должен быть очень большим, либо он должен собирать топливо или получать энергию на пути другими способами (например, с использованием концепта двигателя Бассарда).

Возможные методы, превышающие скорость света

Двигатель Алькубьерре — гипотетическая концепция, при помощи которой космический корабль может развивать скорость быстрее, чем скорость света (сам корабль не будет двигаться быстрее света, но пространство вокруг него будет). Теоретически это может позволить практическое межгалактическое путешествие. Не существует никакого известного способа создания волны, искажающей пространство, в которой должна работать эта концепция, но метрики уравнений соответствуют теории относительности и пределу скорости света.

Покраснение межзвёздой пыли

Не все длины волн рассеяны
одинаково. Подобно тому, как наш воздух рассеивает синие цвета на солнечном
свете более эффективно, чем красные, степень поглощения межзвездной пыли
зависит от длины волны света. Величина угасания пропорциональна 1 / (длина
волны света). Более синие волны рассеиваются больше, чем красные.

Размер пыли должен составлять около
5-10  сантиметров от длины световой волны.
Синего света достигает нас меньше всего, поэтому объект кажется более красным,
чем должен. Этот эффект называется покраснением, хотя, возможно, его следует
называть «синеватым».

Если бы частицы пыли были намного
больше (скажем, размером с песчинку), покраснение не наблюдалось бы. Если бы
частицы пыли были намного меньше (скажем, с молекулу), рассеяние могло бы вести
себя как лямбда 1/4.

Трамплер показал, что данный
спектральный тип звезды становится все более красным с увеличением расстояния.
Это открытие стало еще одним доказательством наличия пыли между звездами. Если
Солнце находится в типичном месте в Галактике, то наблюдение Трамплера
означает, что более отдаленные звезды имеют больше пыли между нами и ими.

Вы видите тот же эффект, когда
наблюдаете оранжево-красное Солнце близко к горизонту. Объекты, близкие к
горизонту, видны сквозь большее количество атмосферы, чем когда они близки к
зениту. На закате голубые, зеленые и желтые цвета рассеиваются от вашего поля
зрения, и только длинные волны оранжевого и красного света могут перемещаться
вокруг частиц воздуха и пыли, чтобы достичь ваших глаз.

В ближней инфракрасной области
(немного длиннее видимого света) пыль прозрачна. На более длинных волнах вы можете
видеть пылающую саму пыль, можно исследовать структуру самих пылевых облаков, а
также звезд, образующихся в них (молодые звезды, которые скрыты от нас в
видимой полосе).

Космический телескоп Спитцер
наблюдает вселенную в инфракрасном поле, и он открыл новую вселенную, которую
также можно назвать облаками
межзвездного газа и пыли.

Хотя это не первый инфракрасный
космический телескоп, он является крупнейшим инфракрасным космическим
телескопом, который до сих пор работает, поэтому он обладает самой большой
светосилой и разрешающей способностью среди всех телескопов подобного типа.

Космическая обсерватория
имела еще большее зеркало, чем Спитцер, но наблюдение там велось в более
длинных инфракрасных волнах. «Спитцер», выпущенный в 2003 году, остается
активным и сегодня.

Из чего состоит Вселенная?

Раньше проблема с проверкой этой теории заключалась в том, что приборы астрономов были едва способны обнаружить признаки межгалактического газа, не говоря уже о его появлении и исчезновении. Однако сегодня, благодаря более чувствительным инструментам, ученые знают намного больше. Полученные данные говорят о том, что межгалактическая среда богата газом, который наполняет Вселенную и порождает галактики. Чуть менее убедительные, а иногда и загадочные свидетельства в около галактической среде показывают, что галактики живут за счет рециркуляции газа в звезды и из звезд.

А вот доказательства того, что у галактик может закончиться газ, и звезды перестанут рождаться, что приведет к гибели галактики пока только предварительные. Дело в том, что даже в молодой Вселенной газ не однороден. Межгалактическая среда также не является чистым водородом: она частично заполнена элементами, более тяжелыми, чем водород, которые появляются, когда звезды взрываются и умирают.

И все же, несмотря на множество вопросов, ученые сходятся во мнении, что эта древняя, охлаждающая, разреженная межгалактическая среда является хорошо понятой сущностью, которая содержит убедительную картину того, когда и из чего возникли галактики.

Однако, несмотря на появление новых инструментов и совместной работы ученых, на сегодняшний день общей картины рождения, жизни и смерти галактик нет. Чтобы лучше понять это, ученые прибегают к помощи компьютерной симуляции — так, недавно астрономы создали 8 миллионов галактик внутри компьютера. Вне зависимости от того, реальны симуляции или нет, именно с их помощью ученые смогут получить ответы на вопросы о природе межгалактического газа. Дело в том, что симуляции — наиболее ясная визуализация того, как газ мог создать галактики.

Ученые полагают что сегодня, 13,8 миллиардов лет спустя после Большого взрыва, только 60% газа сосредоточено в межгалактической среде; остальное находится в около галактической среде и внутри галактик. Получается, что на просторах Вселенной галактики нанизаны на пустоты, похожие на освещенные автомагистрали. Красиво! Несмотря на то, что многое пока остается загадкой.

Зонды фон Неймана

Ученые из Университета Эдинбурга опубликовали работу в International Journal of Astrobiology, в которой исследовали не только возможность создания такой технологии для собственных нужд, но и вероятность того, что кто-то уже это сделал. Основываясь на предыдущих расчетах, которые показывали, насколько далеко может забраться аппарат, используя разные способы передвижения, ученые изучили, как это уравнение изменится, если его применить к самовоспроизводящимся аппаратам и зондам.

Расчеты ученых строились вокруг самовоспроизводящихся зондов, которые могли бы использовать мусор и другие материалы космоса для строительства младших зондов. Родительские и дочерние зонды умножались бы так быстро, что покрыли бы всю галактику всего за 10 миллионов лет — и это при условии, если бы они двигались на 10% скорости света. Впрочем, это означало бы, что в определенный момент нас должны были посещать какие-нибудь подобные зонды. Поскольку мы их не видели, можно подобрать удобное объяснение: либо мы недостаточно технологически развиты, чтобы знать, где искать, либо мы действительно одиноки в галактике.

Локальная утилизация ресурсов

Жизнь в отрыве от земли может быть новомодной тенденцией на Земле, но когда дело доходит до месячных миссий в космосе, это становится необходимым. В настоящее время NASA занимается, помимо остального, изучением вопроса локальной утилизации ресурсов (ISRU). На космическом судне не так много места, и создание систем для использования материалов, обнаруженных в космосе и на других планетах, будет необходимо для любой долгосрочной колонизации или поездок, особенно когда пунктом назначения станет место, куда будет весьма непросто доставить груз снабжения, топливо, еду и прочее. Первые попытки демонстрации возможностей использования локальных ресурсов были предприняты на склонах гавайских вулканов и в ходе полярных миссий. В список задач входят такие пункты, как добыча топливных компонентов из пепла и другой доступной в природе местности.

В августе 2014 года NASA сделало мощное заявление, показав новые игрушки, которые отправятся на Марс со следующим марсоходом, запуск которого состоится в 2020 году. Среди инструментов в арсенале нового марсохода есть MOXIE, эксперимент по локальной утилизации ресурсов в виде марсианского кислорода. MOXIE будет забирать непригодную для дыхания атмосферу Марса (на 96% состоящую из диоксида углерода) и разделять ее на кислород и моноксид углерода. Аппарат сможет производить 22 грамма кислорода за каждый час работы. NASA также надеется, что MOXIE будет в силах продемонстрировать кое-что еще — постоянную работу без снижения продуктивности или эффективности. MOXIE может не только стать важным шагом в направлении долгосрочных внеземных миссий, но и проложить путь множеству потенциальных преобразователей вредных газов в полезные.

Часть первая АСТРОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ПРОБЛЕМЫ

3. Межзвездная среда

*3

1933

-4-5

**

₂₂ см. следующую главу

₃₃ см. гл. 12

121613161218

см. гл. 26

-5

см. гл. 5***

**** см. гл. 5

см. гл. 4

2021

-4гл. 6

• * Собственные линии поглощения ионизованного кальция у таких звезд отсутствуют, ак как температуры их поверхностных слоев слишком высоки.
• ** Линия ОН состоит из четырех близких по частотам компонент (1612, 1665, 1667 и 1720 МГц).
• *** Линия поглощения 21 см, обусловленная межзвездным водородом, образуется в радиоспектре какого-либо источника совершенно таким же образом, как линии межзвездного кальция в спектрах удаленных горячих звезд.
• **** Радиоизлучение от мегагалактических источников линейно поляризовано, причем степень поляризации рбычно порядка нескольких процентов. Поляризация этого радиоизлучения объясняется его синхротроннои природой (см. ниже).

Copyright Balancer 1997 — 2020

Создано 18.07.2020
Связь с владельцами и администрацией сайта: anonisimov@gmail.com, rwasp1957@yandex.ru и admin@balancer.ru.

ОГЛАВЛЕНИЕ

• От редакторов. И.С.Шкловский о Вселенной, жизни, разуме
• Предисловие к пятому изданию
• Введение
• Часть первая АСТРОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ПРОБЛЕМЫ
• 1. Масштабы Вселенной и ее строение
• 2. Основные характеристики звезд
• 3. Межзвездная среда
• 4. Эволюция звезд
• 5. Сверхновые звезды, пульсары и черные дыры
• 6. Об эволюции галактик
• 7. Большая Вселенная
• 8. Кратные звездные системы
• 9. О происхождении Солнечной системы
• 10. Вращение звезд и планетная космогония
• Часть вторая ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ
• 11. Условия, необходимые для возникновения и развития жизни на планетах
• 12. Об определении понятия «жизнь»
• 13. О возникновении и развитии жизни на Земле
• 14. От сине-зеленых водорослей до человека
• 15. «Есть ли жизнь на Земле?»
• 16. «Есть ли жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе…»
• 17. Возможность жизни на других телах Солнечной системы
• Часть третья РАЗУМНАЯ ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ
• 18. Общие замечания
• 19. Освоение человечеством Солнечной системы
• 20. Радиосвязь между цивилизациями, находящимися на различных планетных системах
• 21. Возможность осуществления межзвездной связи оптическими методами
• 22. Связь с инопланетными цивилизациями с помощью автоматических зондов
• 23. Теоретико-вероятностный анализ межзвездной радиосвязи. Характер сигналов
• 24. О возможности прямых контактов между инопланетными цивилизациями
• 25. Замечания о темпах и характере технологического развития человечества
• 26. Разумная жизнь как космический фактор
• 27. Где вы, братья по разуму?
• ПРИЛОЖЕНИЕ
• I. Поиски внеземных цивилизаций
• II. Возможна ли связь с разумными существами других планет?
• III. Существуют ли внеземные цивилизации?

Наблюдение и его методы

Вояджер-1 — первый искусственный объект достигший межзвездной среды

Межзвездный газ, обладая высокой разреженностью и широким температурным диапазоном, изучается с помощью нескольких способов. Особый интерес в этом плане представляют светлые газовые и газопылевые туманности, так как их визуальные характеристики значительно упрощают процесс оптических наблюдений. В число методов, позволяющих получить разнообразную информацию о состоянии и структуре межзвездного газа, входят исследования:

• непрерывного радиоизлучения;
• межзвездных оптических и УФ линий;
• пространственного распределения молекул;
• рентгеновского, ИК и гамма излучений;
• параметров межзвездного ветра;
• мерцаний пульсаров.

Комплексный подход к изучению межзвездного газа позволил определить многие его свойства и параметры. К объектам, дающим оптимальную возможность наблюдать МГ на нашем небосводе, относится созвездие Ориона, где находится эмиссионная туманность М42.

Интересные факты

• Галактический газовый диск изогнут на периферии.
• Основной объем межзвездного газа сосредоточен в спиральных рукавах, один из коридоров которых расположен рядом с Солнечной системой.
• В разреженном МГ, подвергаемом действию космических излучений, обнаружена зависимость показателей температуры, давления и объема электронов от плотности концентрации водорода.
• К самым мощным факторам, влияющим на структурные процессы в межзвездной газовой среде, относятся спиральные ударные волны.
• Энергия вспышки сверхновой способна пробить пространство галактического диска, вызвав тем самым отток МГ в свободное пространство Вселенной.
• В теории молекулярные газовые облака за период в чуть более 100 лет должны превращаться в звезды. Но на практике существует множество факторов, замедляющих этот процесс.

Межзвездная ракета

Модифицированная конструкция, известная как RAIR (межзвездная ракета с увеличенной массой поршня), предложенная Аланом Бондом в 1974 году, использует накопленный межзвездный водород не как топливо, а просто как реакционную массу. Поступающий поток протонов замедляется примерно до 1 МэВ, а затем ими бомбардируется мишень из лития-6 или бора-11. Слияние литий-протон или бор-протон легко инициировать. При ней высвобождается больше энергии, чем при другом любом типе реакции термоядерного синтеза. Вырабатываемая таким образом энергия выбрасывается из реактора. В выпускном патрубке часть энергии заворачивается назад, и используется для торможения потока протонов.

Так называемый катализатор RAIR предлагает еще более эффективный подход. После торможения входящего потока протонов к нему добавляется небольшое количество антивещества. В ходе этой реакции энергии выделяется меньше. Но она происходит при гораздо более низких температурах.  Однако, с другой стороны, для успешного межзвездного полета потребуется большое количество антивещества.

Проблемы и решения

Первоначально проект Бассарда предусматривал механический захват атомов водорода космическим кораблем в процессе его движения. Однако расчеты показали, что для достижения «идеального» ускорения в 1 g в типичных областях межзвездного пространства, где содержание атомов водорода на единицу объема крайне мала, 1000-тонному космическому кораблю потребуется фронтальная зона сбора размером около 10 000 квадратных километров. Даже если предположить, что технологии будущего позволят построить подобный сборщик водорода, его масса будет просто колоссальна Например, конструкция площадью 10 000 квадратных километров, изготовленная из майлара, и имеющая толщину 0,1 сантиметра, будет весить около 250 000 тонн.

Одним из способов решения этой проблемы является ионизация водорода перед космическим кораблем с помощью мощного лазера. Ионы водорода, имеющие электрический заряд (то есть, по сути, протоны) смогут втягиваться относительно небольшим коллектором Бассарда, который генерирует мощное магнитное поле. Процесс «сбора урожая» будет иметь электромагнитную природу, а не механическую. Поэтому сборщик не обязательно должен быть твердым. Можно использовать и сетку. И она не должна будет быть нереально большой. Поскольку магнитное поле может иметь конфигурацию, превышающую по размеру физические размеры сборщика материи.

Однако и в этом случае имеются проблемы. Одной из них является огромная мощность, необходимая для генерации магнитного поля коллектора Бассарда. Ну и не нужно забывать об ионизирующем лазере. Еще одна проблема заключается в то, что двигатель будет работать только тогда, когда космический корабль наберет достаточную скорость, чтобы собирать межзвездную материю в нужных количествах. Поэтому для ускорения космического корабля до критической скорости необходима какая-то первичная силовая установка. Одна должна разогнать корабль до скорости не менее 6% скорости света.

Млечный Путь — скромная галактика

Эндрю Фокс, астроном и ведущий автор предстоящего исследования считает, что наша галактика довольно скромная. Сверхновые и сильные звездные ветра выдувают газ из диска галактики, но этот газ падает обратно в галактику, образуя новые поколения звезд. Однако сам процесс — который происходил в течение миллиардов лет — не объясняет, по какой причине в нашей галактике существует избыток газа, а не равновесие. Специалисты предполагают, что одной из теоретических причин, лежащих в основе несбалансированного количества газа в галактике Млечный Путь, является межгалактическая среда — масса газообразного водорода, которая, как полагают, существует между различными галактиками.

А это миллиард звезд галактики Андромеда глазами телескопа Хаббл

Тем не менее, некоторые специалисты полагают, что Млечный путь может использовать свое гравитационное притяжение, чтобы украсть запасы газа у небольших соседних галактик. Соавтор исследования, Ронгмон Бордолои из университета Северной Каролины считает, что оригинальные наблюдения COS Хаббл были сделаны для изучения Вселенной далеко за пределами нашей галактики. Однако ученые проанализировали данные о количестве газа в Млечном Пути. Ценность архива телескопа Хаббла заключается в том, что ученые могут использовать одни и те же наблюдения для изучения как ближней, так и более отдаленной Вселенной. Таким образом, разрешение Хаббла позволяет астрономам одновременно изучать локальные и удаленные небесные объекты. По мнению экспертов, на данный момент Млечный Путь является единственной галактикой, за которой можно наблюдать с помощью телескопа.

Межзвездная пыль: ее состав и свойства

Химический
состав межзвездной пыли показывает, что она
состоит из тонких, сильно сплющенных чешуек или игл из графита (углерод) и
силикатов (минералы в виде камней), покрытых водяным льдом. Каждая пылевая
чешуйка примерно равна длине волны синего света или меньше. Пыль, вероятно,
образуется в холодных внешних слоях красных гигантских звезд и рассеивается в
красных гигантских ветрах и планетарных туманностях.

Звездный свет, проходящий сквозь
пылевое облако, может изменяться несколькими способами. Свет может быть
полностью заблокирован, если пыль достаточно густая, или она может быть
частично рассеянной на величину, которая зависит от цвета света и толщины
пылевого облака. Вся длина световых волн, проходящих сквозь пылевое облако,
будет несколько затемнена. Этот эффект называется исчезновением.