Космические измерения: как мы научились определять расстояния во Вселенной

Космос слишком далеко для прямых измерений: мы не можем физически дотянуться даже до ближайшей к Солнцу звезды Проксима Центавра. Хотя ее было сложно обнаружить наблюдениями и случилось это лишь в 1915 году, позже ученые все-таки определили расстояние от нее до Земли — она отдалена от нас на 4,24 светового года, то есть на свыше 40 трлн км. Сделали это с помощью космического телескопа ESA Gaia, который составляет подробную карту распределения звезд нашей галактики. Впрочем, даже без современных телескопов люди и раньше находили способы измерять расстояния в космосе. 

Первые попытки измерить Землю и космос

Древнегреческий ученый Аристарх Самосский известен тем, что предложил гелиоцентрическую систему мира, где Солнце в центре, а Земля вращается вокруг него. А еще в 270 году до нашей эры он первым в истории определил расстояние от нашей планеты до Луны — по разным источникам, у него получилось в среднем около 60 радиусов Земли. Современная наука говорит, что это расстояние в действительности составляет 60,3 радиуса Земли, или 384 400 км. Ошибся Аристарх ввиду своего предположения, что тень Земли образует правильный конус. 

Сегодня расстояние до Луны измеряют точнее: астронавты Apollo 11 установили на ее поверхности специальные отражатели (ретрорефлекторы). С Земли в их сторону отправляют лазерные импульсы, и по времени, за которое луч возвращается, вычисляют дистанцию с точностью до нескольких сантиметров.

Успешный кейс Аристарха — не единственный. Космическими расчетами до нашей эры занимались и другие ученые древности. Эратосфен, греческий ученый, математик и главный библиотекарь Александрийской библиотеки, в 240 году до нашей эры определил окружность Земли — по его расчетам, она составляла чуть более 40 200 км. При этом он использовал всего лишь тень от палки в полдень летнего солнцестояния в двух разных городах — Александрии и Сиене. По разным оценкам, его ошибка составила всего 1,4-2,0%, что стало возможным благодаря технике измерения дуги. Первоначальное ее описание не сохранилось, но упрощенную версию мы знаем по трудам другого ученого, Клеомеда.

Греко-египетский астроном Клавдий Птолемей предложил свою планетарную модель, где Земля находилась в центре неподвижно, а остальные небесные тела вращались вокруг нее. Свое представление о движении небесных тел он описал в 13-томной работе «Альмагест». Математические таблицы из этих книг уже в 150-х годах нашей эры позволяли рассчитывать положения планет и другие небесные явления для произвольных дат, оказав сильное влияние на средневековую астрономию. 

Иоганн Кеплер, работавший в начале XVII века, обобщил результаты наблюдений астронома Тихо Браге и вывел три закона движения планет, описывающие их эллиптические орбиты, связь периода обращения и расстояния до Солнца. Позднее эти законы позволили астрономам без телескопов и электронных датчиков значительно точнее рассчитывать орбиты планет и предсказывать их положение во времени, заложив основу для небесной механики Ньютона. ​

Спустя несколько десятилетий, в XVII веке, французский астроном Джованни Доменико Кассини в сотрудничестве с Жаном Рише применил метод параллакса к Марсу. Кассини сравнивал положение Марса на фоне звезд, наблюдая его из двух удаленных точек (Париж и Кайенна): из разных углов зрения планета смещается на крошечный угол — это и есть параллакс. Таким способом Кассини получил первое достаточно точное значение астрономической единицы (а.е.) — расстояния от Земли до Солнца.

Метод параллакса позволяет измерить расстояние до объекта, опираясь на изменение его видимого положения при смене точки наблюдения. Вооружившись одним из первых телескопов (его изобрел в 1609 году Галилео Галилей), Кассини с помощью тригонометрических формул выяснил, что расстояние до Солнца составляет около 140–150 млн км. Это очень близко к тому значению, которое мы знаем сегодня: 149,6 млн км.

Переломным для космических измерений стал XVIII век благодаря прохождению Венеры по диску Солнца в 1761 и 1769 годах. Эти достаточно редкие астрономические события, которые случаются раз в несколько десятилетий, замечали и древние астрономы. Однако тогда они еще не понимали, как правильно применить их для расчета расстояний в космосе. Кассини первым предсказал такие прохождения в 1631 и в 1761 годах, а саму идею воспользоваться ими для измерений выдвинул Эдмунд Галлей в 1716 году. Он предложил следующее: когда Венера проходит между Землей и Солнцем как черная точка, можно измерить время ее движения через края солнечного диска с разных точек Земли. Разница во времени покажет параллакс Солнца — угол, из которого видно смещение Венеры. А уже по нему с помощью тригонометрических формул можно установить расстояние Земля—Солнце и вычислить абсолютное значение астрономической единицы.

Все упомянутые выше ученые сделали большой вклад в астрометрию — науку, которая занимается измерением положений и движений небесных тел: Солнца, Луны, планет и звезд. Хотя ее основы были заложены во втором веке до нашей эры, сам термин начали использовать гораздо позже, в XIX веке. Именно тогда астрометрию выделили в отдельную дисциплину. 

Космическая лестница расстояний

Чтобы вычислять, на каком отдалении друг от друга находятся объекты во Вселенной, ученые используют так называемую космическую лестницу расстояний. Она объединяет несколько методов подсчетов, где каждый предыдущий служит основой для следующего. Это позволяет измерять расстояния даже в глубоком космосе, но если допустить ошибку на первых шагах, она повлияет на все дальнейшие измерения. Термин «космическая лестница расстояний» появился только во второй половине XX века, хотя формироваться эта система начала еще до нашей эры, а современные ученые дополнили ее новыми уровнями. 

1-я ступень: параметры Земли. Они стали отправной точкой, и дальше уже в радиусах Земли древние ученые находили другие космические величины — как путь до Луны или Солнца (вспомните вычисления Эратосфена).

2-я ступень: расстояние до Луны. Для этих подсчетов древние греки использовали тригонометрию и наблюдения за лунными затмениями (а здесь данные, близкие к современным, получил Аристарх).

3-я ступень: расстояние до Солнца (астрономическая единица). Сегодня мы знаем, что она соответствует 149 597 870,7 км. Аристарх пробовал измерить ее через геометрию фаз Луны, но ошибся в подсчетах, зато подтвердил, что Солнце значительно превосходит в размерах Землю.

4-я ступень: расстояние до планет. Здесь мы оперируем уже километрами и говорим о расстоянии до Марса и других планет Солнечной системы. В свое время Коперник учел цикличность видимого движения Марса и, опираясь на гелиоцентрическую модель, предположил, что его расстояние до Солнца равно 1,5 а.е. Уточнить эти расчеты позже удалось благодаря работам Тихо Браге и Кеплера, а затем — при помощи радаров и межпланетных аппаратов.

5-я ступень: скорость света. Величину с удалось узнать благодаря задержке в наблюдениях затмения Ио (спутника Юпитера). Это сыграло весомую роль в дальнейшем развитии физики и астрономии, а также стало основой для новых методов вычислений, в которых используется время прохождения света и электромагнитные измерения.

6-я ступень: расстояние до ближайших звезд. Впервые его определил Фридрих Бессель в 1838 году, а позже данные подтвердили посредством обычных оптических телескопов. 

7-я ступень: размеры Млечного Пути и других галактик. Здесь задействована звездная физика: спектроскопия позволяет определять цвет и температуру небесных объектов, а фотометрия — видимую яркость. Зная расстояния до ближайших звезд, можно выяснить их абсолютную светимость и наоборот: цвет и яркость позволяют рассчитывать расстояния. Сейчас известно, что диаметр Млечного Пути составляет 30 000 парсеков, или 97 000 световых лет.

8-я ступень: расстояние до других галактик. Астроном Генриетта Ливитт заметила, что период пульсации цефеид (звезд, которые становятся то ярче, то тусклее) связан с их яркостью. И по этой зависимости можно находить расстояния до галактик, где видны такие звезды — в пределах до 100 млн световых лет. 

9-я ступень: оценка масштабов Вселенной. На сверхбольших расстояниях увидеть отдельные объекты в космосе невозможно, поэтому ученые измеряют красное смещение в спектре галактик и применяют закон Хаббла: чем больше красное смещение, тем дальше объект. Это позволяет строить карты распределения галактик и изучать крупномасштабные структуры.

Три единицы для измерения расстояний в космосе

В этом тексте уже встречались разные единицы измерений — парсек, астрономическая единица и световой год. Почему разные расстояния указывают в разных единицах, и не вносит ли это путаницу? 

Астрономические единицы (напомним, 1 а.е. — это расстояние от Земли до Солнца) используются тогда, когда нужно в компактном виде записать большое, действительно астрономическое число. Например, дистанция от Солнца до орбиты Сатурна составляет «всего» 9,5 а.е. Или же 886 млн миль, или 1,4 млрд км. То есть астрономические единицы не только упрощают запись, но и делают понятнее разницу между разными расстояниями. Например, Сатурн в два раза дальше от Солнца, чем Юпитер, и это отлично видно, если сравнивать 9,58 а.е. и 5,2 а.е. (1,4 млрд км и 778 млн км соответственно).

Долгое время астрономическая единица не имела фиксированного значения в метрах по двум причинам. Во-первых, она зависела от постоянного движения небесных тел, а во-вторых, не было точного способа напрямую привязать масштаб Солнечной системы к метрической системе. Все изменилось в 2012 году, когда астрономическую единицу определили заново и закрепили на отметке 149 597 870 700 метров. Теперь это не примерное расстояние между Землей и Солнцем, а константа.

Когда астрономическими единицами становится неудобно пользоваться, берут световые годы. Один световой год соответствует 63 000 астрономических единиц, или 9 трлн км — столько фотон света проходит за год. Или иначе: световой год — расстояние, которое можно преодолеть за год, если двигаться со скоростью света (300 000 км/с). Если взять дистанцию до системы Альфа Центавра, она составит 4,3 светового года. Это то же самое, что 25 трлн миль, 40 трлн км или 272 000 астрономических единиц. 

Световые годы отлично подходят для описания расстояний до ближайших звезд. Но если оценивать масштабы Вселенной, понадобятся парсеки. Один парсек соответствует 3,26 светового года, или 206 265 астрономических единиц. Само слово parsec — это сокращение от parallax of one arcsecond (параллакс в одну угловую секунду). Или же расстояние, с которого отрезок в 1 астрономическую единицу виден под углом 1 угловая секунда (1″). Расстояние до Плеяды, звездного скопления в созвездии Тельца, которое в Северном полушарии можно наблюдать невооруженным глазом, составляет 135–136 парсеков, или 440–444 световых лет.

Самое удивительное в истории с колоссальными расстояниями во Вселенной — это то, что они позволяют нам видеть объекты в прошлом. Для звезд это прошлое заканчивается в тот момент, когда свет их покинул и устремился к Земле. Глядя на Плеяды, мы видим их такими, какими они были около 440 лет назад — столько времени их свет добирается до нас. На больших дистанциях это еще нагляднее: чем дальше галактика, тем более раннюю ее версию мы видим в телескоп.

Этот образовательный ролик NASA поможет лучше понять, что световой год — это единица расстояния (не времени!), и что, глядя на далекие объекты, мы видим их в прошлом:

Телескопы, которые повысили точность космических измерений

Телескопы видят намного дальше, чем более примитивные оптические приборы, и тем более невооруженный глаз, благодаря двум своим характеристикам: сильное увеличение и возможность собирать больше света. Это позволяет точнее измерять углы и яркость объектов, поэтому мы можем увидеть даже очень далекие и слабо светящиеся небесные тела. 

Сейчас в мире работают сотни наземных обсерваторий и десятки космических телескопов, обеспечивающих непрерывные астрономические наблюдения. Остановимся на четырех ключевых системах, сделавших огромный вклад в измерение космоса: Hipparcos, James Webb Space Telescope (JWST), Global Astrometric Interferometer for Astrophysics (Gaia) и Hubble Space Telescope (HST).

В 1989 году стартовала Hipparcos — первая космическая миссия, специально созданная для точных измерений положений, параллаксов и движений звезд. На то время это был новаторский картограф с амбициозными целями: исследовать более 120 000 основных и 400 000 дополнительных звезд за 2,5 года. План был выполнен почти идеально: ученые изучили около 100 000 звезд, а их местоположение определили в 200 раз точнее, чем когда-либо ранее. Кроме того, Hipparcos получил данные, которые позже использовали для уточнения других методов измерения расстояний. Среди прочего выяснили, что многие объекты на самом деле находятся дальше во Вселенной, чем считалось ранее. А ее возраст удалось синхронизировать с возрастом самых старых звезд.

С 1990 года основную работу по сбору точных астрономических данных выполняет телескоп Hubble — и продолжает этим заниматься прямо сейчас, пока вы читаете эту статью. Его ключевая задача в рамках совместного проекта NASA и ESA заключается в уточнении скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла), и, следовательно, ее возраста. Для этого телескоп искал и измерял цефеиды в близких спиральных галактиках, в том числе в М81, определяя их реальную светимость и расстояние до самой галактики, а затем сравнивал эти дистанции с красными смещениями.

Благодаря этим наблюдениям Hubble помог сузить оценку возраста Вселенной до интервала около 13–14 млрд лет и уточнить расстояния до десятков галактик в десятках миллионов световых лет от нас. Такая точность стала возможной благодаря тому, что телескоп работает над атмосферой, в космосе: его 2,4-метровое зеркало обеспечивает дифракционное разрешение порядка 0,05 угловой секунды, что примерно в 10–20 раз лучше, чем у наземных телескопов. Больше о роли Hubble в изучении космоса вы можете прочесть в нашей статье, посвященной истории его создания и основным достижениям.

С 2013 года по 2025-й астрометрические данные собирала преемница Hipparcos, орбитальная обсерватория Gaia. На ее счету — параллаксы и собственные движения более 1,5 млрд звезд, многомерная модель Млечного Пути и уточнение шкалы космических измерений, что напрямую касается космической лестницы.

Среди главных открытий телескопа James Webb, четвертой обсерватории из нашего списка, — новые рекорды по измерению расстояний до самых старых галактик. Запущенный в конце декабря 2021 года, сейчас он продолжает работать вблизи второй точки Лагранжа (L₂), в 1,5 млн км от Земли. Его инфракрасные инструменты NIRCam и NIRSpec позволяют видеть галактики такими, какими они были всего спустя 300-400 млн лет после Большого взрыва.

Для космических измерений это важно по двум причинам. Во-первых, James Webb уточняет верхние ступени космической лестницы расстояний. По спектрам далеких галактик можно с высокой точностью определить их красное смещение, расстояние и глубину времени, на которой мы их наблюдаем. Во-вторых, исключительная чувствительность и работа в инфракрасном диапазоне помогают измерять свет и химический состав очень далеких и потому слабо светящихся объектов.

В ближайшие годы к этой измерительной команде примкнет еще одна ключевая миссия — космический телескоп Nancy Grace Roman. Его запуск планируется не позднее мая 2027 года, после чего он возьмет на себя часть работы, которую сейчас выполняют нынешние системы. При этом Roman получит сверхширокий инфракрасный обзор неба: поле зрения его камеры будет примерно в 100 раз больше, чем у инфракрасных инструментов Hubble, что позволит за время основной миссии измерить распределение света более чем миллиарда галактик и зарегистрировать тысячи сверхновых. Так человечество сможет лучше отследить изменение скорости расширения Вселенной и оценить структуру крупномасштабных скоплений галактик. То есть у нас появится еще более совершенный инструмент для измерения космических расстояний.

Космическая лестница расстояний продолжает совершенствоваться, ведь появляются новые методы измерений. Так, гравитационное линзирование использует искривление света массивными объектами для оценки расстояний, зависимость Талли—Фишера связывает скорость вращения спиральных галактик с их яркостью, а эффект Сюняева—Зельдовича определяет скопления галактик по искажению реликтового излучения. Вместе с телескопами вроде Hubble и JWST они продолжат уточнять скорость расширения Вселенной и ее возраст, что в перспективе поможет нам еще точнее измерить космос в будущем.