Vesmír - Outer space

Rozhraní mezi zemským povrchem a vesmírem. Zobrazí se linie Kármán ve výšce 100 km (62 mi). Vrstvy atmosféry jsou kresleny v měřítku, zatímco objekty v nich, jako je Mezinárodní vesmírná stanice , nejsou.

Vesmír je prostor, který existuje mimo Zemi a mezi nebeskými tělesy . Vnější prostor není zcela prázdný, je těžké vakuum obsahující nízkou hustotu částic, převážně v plazmě z vodíku a helia , stejně jako elektromagnetické záření , magnetických polí , neutrin , prachu a kosmické paprsky . Základní teplota vesmíru, stanovená radiací pozadí z Velkého třesku , je 2,7 kelvinů (-270,45 ° C; -454,81 ° F). Předpokládá se, že plazma mezi galaxiemi představuje asi polovinu baryonické (obyčejné) hmoty ve vesmíru, která má číselnou hustotu menší než jeden atom vodíku na metr krychlový a teplotu milionů kelvinů. Místní koncentrace hmoty kondenzovaly do hvězd a galaxií . Studie ukazují, že 90% hmotnosti ve většině galaxií je v neznámé formě, nazývané temná hmota , která interaguje s jinou hmotou prostřednictvím gravitačních, ale nikoli elektromagnetických sil . Pozorování naznačují, že většina hmotné energie v pozorovatelném vesmíru je temná energie , což je druh vakuové energie, který je špatně pochopen. Mezigalaktický prostor zabírá většinu objemu vesmíru , ale i galaxie a hvězdné systémy se skládají téměř výhradně z prázdného prostoru.

Vesmír nezačíná v určité výšce nad zemským povrchem. Kármán linka , nadmořská výška 100 km (62 mi) nad mořem, se běžně používá jako počátek vesmíru v kosmických smluv a k jejímu udržování kosmických záznamů. Rámec mezinárodního vesmírného práva byl stanoven smlouvou o vesmíru , která vstoupila v platnost 10. října 1967. Tato smlouva vylučuje jakékoli nároky na národní suverenitu a umožňuje všem státům svobodně prozkoumávat vesmír . Navzdory vypracování rezolucí OSN pro mírové využití vesmíru byly na oběžné dráze Země testovány protisatelitní zbraně .

Lidé začali fyzický průzkum vesmíru ve 20. století s příchodem letů balónem ve vysoké výšce . Následovaly raketové lety s posádkou a poté oběžná dráha Země s posádkou , které poprvé dosáhl Jurij Gagarin ze Sovětského svazu v roce 1961. Kvůli vysokým nákladům na vstup do vesmíru byl lidský let do vesmíru omezen na nízkou oběžnou dráhu Země a Měsíc . Na druhou stranu kosmické lodě bez posádky dosáhly všech známých planet ve sluneční soustavě .

Vesmír představuje náročné prostředí pro průzkum lidí kvůli nebezpečí vakua a radiace . Mikrogravitace má také negativní vliv na fyziologii člověka, která způsobuje jak svalovou atrofii, tak úbytek kostní hmoty . Kromě těchto zdravotních a environmentálních problémů jsou ekonomické náklady na umístění objektů, včetně lidí, do vesmíru, velmi vysoké.

Vznik a stav

Toto je umělcovo pojetí metrické expanze prostoru , kde je objem vesmíru v každém časovém intervalu reprezentován kruhovými řezy. Vlevo je znázorněna rychlá inflace z počátečního stavu, po níž následuje stabilnější expanze do současnosti, vpravo.

Velikost celého vesmíru není známa a rozsahem může být nekonečný. Podle teorie velkého třesku byl velmi raný vesmír extrémně horkým a hustým stavem asi před 13,8 miliardami let, který se rychle rozšiřoval . Asi o 380 000 let později se vesmír dostatečně ochladil, aby umožnil protonům a elektronům spojit se a vytvořit vodík-takzvanou rekombinační epochu . Když se to stalo, hmota a energie se oddělily, což umožnilo fotonům volně cestovat neustále se rozšiřujícím prostorem. Hmota, která zůstala po počáteční expanzi, od té doby prošla gravitačním kolapsem za vzniku hvězd , galaxií a dalších astronomických objektů a zanechala za sebou hluboké vakuum, které tvoří to, čemu se dnes říká vesmír. Protože světlo má konečnou rychlost, tato teorie také omezuje velikost přímo pozorovatelného vesmíru.

Dnešní tvar vesmíru byl určen z měření kosmického mikrovlnného pozadí pomocí satelitů, jako je Wilkinsonova mikrovlnná anizotropní sonda . Tato pozorování naznačují, že prostorová geometrie pozorovatelného vesmíru je „ plochá “, což znamená, že fotony na paralelních cestách v jednom bodě zůstávají rovnoběžné, když cestují prostorem až na hranici pozorovatelného vesmíru, s výjimkou místní gravitace. Plochý vesmír v kombinaci s naměřenou hustotou hmoty vesmíru a zrychlující expanzí vesmíru naznačuje, že prostor má nenulovou energii vakua , která se nazývá temná energie .

Odhady uvádějí průměrnou hustotu energie současného vesmíru na ekvivalent 5,9 protonů na metr krychlový, včetně temné energie, temné hmoty a baryonické hmoty (obyčejná hmota složená z atomů). Atomy tvoří pouze 4,6% celkové hustoty energie neboli hustoty jednoho protonu na čtyři krychlové metry. Hustota vesmíru zjevně není jednotná; pohybuje se od relativně vysoké hustoty v galaxiích - včetně velmi vysoké hustoty ve strukturách v galaxiích, jako jsou planety, hvězdy a černé díry - až po podmínky v rozsáhlých dutinách, které mají mnohem nižší hustotu, alespoň pokud jde o viditelnou hmotu. Na rozdíl od hmoty a temné hmoty se zdá, že temná energie není koncentrována v galaxiích: ačkoli temná energie může představovat většinu hmotné energie ve vesmíru, vliv temné energie je o 5 řádů menší než vliv gravitace z hmoty a temná hmota v Mléčné dráze.

životní prostředí

Náhodné rozptýlené černé pozadí se svítícími tvary různých velikostí.  Obvykle mají bílé, červené nebo modré odstíny.
Část obrazu Hubbleova ultrahlubokého pole ukazující typický řez prostorem obsahujícím galaxie proložené hlubokým vakuem. S ohledem na omezenou rychlost světla , tento pohled pokrývá past 13 miliard let z historie vesmíru.

Vesmír je nejbližší známou aproximací dokonalého vakua . Ve skutečnosti nemá žádné tření , což umožňuje hvězdám, planetám a měsícům volně se pohybovat po jejich ideálních oběžných drahách po počáteční fázi formování . Hluboké vakuum mezigalaktického prostoru není bez hmoty , protože obsahuje několik atomů vodíku na metr krychlový. Pro srovnání, vzduch, který lidé dýchají, obsahuje asi 10 25 molekul na metr krychlový. Nízká hustota hmoty ve vesmíru znamená, že elektromagnetické záření mohou cestovat na velké vzdálenosti, aniž by byly rozptýleny: střední volná dráha z fotonu v mezigalaktického prostoru je asi 10 23  km, nebo 10 miliard světelných let. Přesto je vyhynutí , což je absorpce a rozptyl fotonů prachem a plynem, důležitým faktorem v galaktické a mezigalaktické astronomii .

Hvězdy, planety a měsíce si udržují atmosféru gravitační přitažlivostí. Atmosféry nemají jasně vymezenou horní hranici: hustota atmosférického plynu postupně klesá se vzdáleností od objektu, až se stane nerozeznatelným od vesmíru. Atmosférický tlak Země klesá na přibližně 0,032 Pa ve výšce 100 kilometrů (62 mil) ve srovnání s 100 000 Pa pro definici standardního tlaku Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii (IUPAC) . Nad touto výškou, izotropní tlak plynu se rychle stává ve srovnání s nevýznamný tlak záření ze Slunce a dynamického tlaku od slunečního větru . Termosféra v tomto rozmezí má velké gradienty tlaku, teploty a složení, a značně liší v důsledku počasí prostoru .

Teplota kosmického prostoru se měří na základě kinetické aktivity plynu na Zemi. Záření vesmíru má jinou teplotu než kinetická teplota plynu, což znamená, že plyn a záření nejsou v termodynamické rovnováze . Celý pozorovatelný vesmír je naplněn fotony, které byly vytvořeny během Velkého třesku , který je známý jako kosmické mikrovlnné záření na pozadí (CMB). (Je dost pravděpodobné, že je odpovídajícím způsobem velký počet neutrin zvaných pozadí kosmických neutrin .) Aktuální teplota tělesa záření pozadí je asi 3  K (-270  ° C ; -454  ° F ). Teploty plynu ve vesmíru se mohou velmi lišit. Například teplota v mlhovině Bumerang je 1 K, zatímco sluneční koróna dosahuje teploty přes 1,2–2,6 milionu K.

Magnetická pole byla detekována v prostoru kolem téměř každé třídy nebeských objektů. É formace spirálních galaxií může generovat v malém měřítku dynama , vytváří turbulentní silné magnetické pole kolem 5-10 u Stabilizátory G . Davis-Greenstein efekt způsobuje prodloužené prachových zrn , aby se k magnetické pole galaxie, což má za následek slabé optické polarizace . Toto bylo použito k ukázání toho, že uspořádaná magnetická pole existují v několika blízkých galaxiích. Magneto-hydrodynamické procesy v aktivních eliptických galaxiích produkují jejich charakteristické paprsky a rádiové laloky . Netepelné rádiové zdroje byly detekovány i mezi nejvzdálenějšími zdroji s vysokým z , což naznačuje přítomnost magnetických polí.

Mimo ochrannou atmosféru a magnetické pole existuje jen málo překážek průchodu prostorem energetických subatomárních částic známých jako kosmické paprsky. Tyto částice mají energii v rozmezí od asi 10 6  eV až do extrému 10 20  eV z ultra-high-kosmického záření . Vrcholový tok kosmických paprsků se vyskytuje při energiích asi 10 9  eV, s přibližně 87% protonů, 12% jader helia a 1% těžších jader. V oblasti vysokých energií je tok elektronů pouze asi 1% protonů. Kosmické paprsky mohou poškodit elektronické součásti a představovat zdravotní riziko pro cestovatele do vesmíru. Podle astronautů, stejně jako Don Pettit , má vesmír spálený/kovový zápach, který ulpívá na jejich oblecích a vybavení, podobně jako vůně obloukového svařovacího hořáku.

Účinek na biologii a lidská těla

Spodní polovina ukazuje modrou planetu s nepravidelnými bílými mraky.  V horní polovině je muž v bílém skafandru a manévrovací jednotka na černém pozadí.
Kvůli nebezpečí vakua musí astronauti nosit přetlakový skafandr, když jsou mimo Zemi a mimo svoji kosmickou loď.

Navzdory drsnému prostředí bylo nalezeno několik forem života, které vydrží extrémní vesmírné podmínky po delší dobu. Druhy lišejníků přepravovaných v zařízení ESA BIOPAN přežily expozici deset dní v roce 2007. Semena Arabidopsis thaliana a Nicotiana tabacum vyklíčila poté, co byla 1,5 roku vystavena vesmíru. Kmen Bacillus subtilis přežil 559 dní, když byl vystaven nízké oběžné dráze Země nebo simulovanému marťanskému prostředí. Lithopanspermia hypotéza naznačuje, že skály vysunuta do vesmíru z životně přechovávání planetách může úspěšně dopravit životní formy na jinou obyvatelnou svět. Domníváme se, že právě k takovému scénáři došlo na začátku historie sluneční soustavy, kdy se mezi Venuší, Zemí a Marsem vyměňovaly potenciálně mikroorganismy nesoucí kameny.

I v relativně malých výškách v zemské atmosféře jsou podmínky nepřátelské k lidskému tělu. Nadmořská výška, kde se atmosférický tlak shoduje s tlakem par vody při teplotě lidského těla, se nazývá Armstrongova linie , pojmenovaná podle amerického lékaře Harryho G. Armstronga . Nachází se v nadmořské výšce kolem 19,14 km (11,89 mi). Na linii Armstrong nebo nad ní se vaří tekutiny v krku a plicích. Přesněji řečeno, odhalené tělesné tekutiny, jako jsou sliny, slzy a tekutiny v plicích, se vaří. V této nadmořské výšce proto lidské přežití vyžaduje tlakový oblek nebo tlakovou kapsli.

Ve vesmíru může náhlé vystavení nechráněného člověka velmi nízkému tlaku , například během rychlé dekomprese, způsobit plicní barotrauma - prasknutí plic v důsledku velkého tlakového rozdílu mezi hrudníkem uvnitř a vně. I když jsou dýchací cesty subjektu zcela otevřené, proudění vzduchu průdušnicí může být příliš pomalé, aby se zabránilo prasknutí. Rychlá dekomprese může prasknout ušní bubínky a dutiny, v měkkých tkáních může dojít k tvorbě modřin a krve a šok může způsobit zvýšení spotřeby kyslíku, které vede k hypoxii .

V důsledku rychlé dekomprese se kyslík rozpuštěný v krvi vyprázdní do plic, aby se pokusil vyrovnat gradient parciálního tlaku . Jakmile odkysličená krev dorazí do mozku, lidé po několika sekundách ztratí vědomí a během několika minut zemřou na hypoxii. Krev a další tělesné tekutiny se vaří, když tlak klesne pod 6,3 kPa, a tomuto stavu se říká ebullismus . Pára může nabobtnat tělo na dvojnásobek normální velikosti a zpomalit cirkulaci, ale tkáně jsou dostatečně elastické a porézní, aby se zabránilo prasknutí. Eullismus je zpomalen tlakovým omezením krevních cév, takže část krve zůstává tekutá. Otok a ebullismus lze omezit zadržením v tlakovém obleku . Crew Altitude Protection Suit (CAPS), přiléhavý elastický oděv navržený v 60. letech pro astronauty, zabraňuje ebullismu při tlacích již od 2 kPa. Na 8 km (5 mil) je zapotřebí doplňkový kyslík, který poskytne dostatek kyslíku pro dýchání a zabrání ztrátě vody, zatímco tlakové obleky nad 20 km (12 mi) jsou nezbytné k prevenci ebullismu. Většina vesmírných skafandrů používá kolem 30–39 kPa čistého kyslíku, přibližně stejně jako na zemském povrchu. Tento tlak je dostatečně vysoký, aby zabránil ebullismu, ale odpařování dusíku rozpuštěného v krvi by stále mohlo způsobit dekompresní nemoc a plynové embolie, pokud by se neřídilo.

Lidé se vyvinuli pro život v zemské gravitaci a bylo prokázáno, že expozice beztíže má škodlivé účinky na lidské zdraví. Zpočátku více než 50% astronautů zažívá nemoc z kosmického pohybu . To může způsobit nevolnost a zvracení , závratě , bolesti hlavy, letargii a celkovou malátnost. Trvání vesmírné nemoci se liší, ale obvykle trvá 1–3 dny, poté se tělo přizpůsobí novému prostředí. Dlouhodobější vystavení stavu beztíže má za následek svalovou atrofii a zhoršení skeletu nebo osteopenii vesmírných letů . Tyto účinky lze minimalizovat cvičením. Mezi další efekty patří redistribuce tekutin, zpomalení kardiovaskulárního systému , snížená produkce červených krvinek , poruchy rovnováhy a oslabení imunitního systému . Mezi menší příznaky patří ztráta tělesné hmotnosti, ucpaný nos, poruchy spánku a otoky obličeje.

Při dlouhodobém cestování do vesmíru může záření představovat akutní zdravotní riziko . Vystavení vysoce energetickým ionizujícím kosmickým paprskům může mít za následek únavu, nevolnost, zvracení, poškození imunitního systému a změny počtu bílých krvinek . Po delší dobu příznaky zahrnují zvýšené riziko rakoviny a poškození očí , nervového systému , plic a gastrointestinálního traktu . Při okružní misi na Mars, která trvala tři roky, by velká část buněk v těle astronauta prošla a potenciálně by byla poškozena vysokoenergetickými jádry. Energie těchto částic je významně snížena stíněním poskytovaným stěnami kosmické lodi a může být dále snížena pomocí nádob na vodu a dalších bariér. Dopad kosmických paprsků na stínění vytváří další záření, které může ovlivnit posádku. Je zapotřebí další výzkum k posouzení radiačních rizik a určení vhodných protiopatření.

Regiony

Prostor je částečné vakuum: jeho různé oblasti jsou definovány různými atmosférami a „větry“, které v nich dominují, a zasahují do bodu, ve kterém tyto větry ustupují těm za nimi. Geospace sahá od zemské atmosféry do vnějších oblastí magnetického pole Země, načež ustupuje slunečnímu větru meziplanetárního prostoru. Meziplanetární prostor zasahuje do heliopauzy, načež sluneční vítr ustupuje větrům mezihvězdného média . Mezihvězdný prostor pak pokračuje k okrajům galaxie, kde přechází do mezigalaktické prázdnoty.

Geospace

Spodní polovina je modrobílá planeta se slabým osvětlením.  Mlhavé červené fáborky stoupají vzhůru z konců disku směrem k černé obloze.  Raketoplán je viditelný podél levého okraje.
Aurora australis pozorovaná z raketoplánu Discovery , na STS-39 , květen 1991 (orbitální výška: 260 km)

Geospace je oblast vesmíru poblíž Země, včetně horní atmosféry a magnetosféry . Tyto radiační pásy Van Allen leží uvnitř Geospace. Vnější hranicí geoprostoru je magnetopauza , která tvoří rozhraní mezi magnetosférou Země a slunečním větrem. Vnitřní hranicí je ionosféra . Proměnné geoprostorové podmínky prostoru a počasí jsou ovlivněny chováním Slunce a slunečního větru; předmět geoprostoru je propojen s heliofyzikou - studiem Slunce a jeho dopadu na planety sluneční soustavy.

Magnetopauza na straně dne je stlačována tlakem slunečního větru-subsolarní vzdálenost od středu Země je typicky 10 poloměrů Země. Na noční straně protahuje sluneční vítr magnetosféru a vytváří magnetotail, která se někdy rozprostírá na více než 100–200 poloměrů Země. Přibližně čtyři dny v každém měsíci je měsíční povrch chráněn před slunečním větrem, když Měsíc prochází magnetotailem.

Geospace je osídlena elektricky nabitými částicemi o velmi nízkých hustotách, jejichž pohyby jsou řízeny magnetickým polem Země . Tato plazma tvoří médium, ze kterého bouřkové poruchy poháněné slunečním větrem mohou pohánět elektrické proudy do horní atmosféry Země. Geomagnetické bouře mohou narušit dvě oblasti geoprostoru, radiační pásy a ionosféru. Tyto bouře zvyšují toky energetických elektronů, které mohou trvale poškodit satelitní elektroniku, což narušuje krátkovlnnou rádiovou komunikaci a polohu a časování GPS . Magnetické bouře mohou být také nebezpečím pro astronauty, a to i na nízké oběžné dráze Země. Vytvářejí také polární záře pozorované ve vysokých zeměpisných šířkách v oválu obklopujícím geomagnetické póly .

Ačkoli to splňuje definici vnějšího prostoru, atmosférická hustota během prvních několika stovek kilometrů nad Karman linka je ještě dostačující pro výrobu významný odpor na satelity . Tato oblast obsahuje materiál, který zbyl z předchozích startů s posádkou a bez posádky, které jsou potenciálním nebezpečím pro kosmické lodě. Některé z těchto úlomků se periodicky znovu dostávají do zemské atmosféry.

Cislunární prostor

Lunar Gateway , jedna z plánovaných vesmírných stanic pro cislunární posádky s posádkou v roce 2020

Zemská gravitace udržuje Měsíc na oběžné dráze v průměrné vzdálenosti 384 403 km (238 857 mi). Oblast mimo zemskou atmosféru a zasahující až těsně za oběžnou dráhu Měsíce , včetně Lagrangeových bodů , je někdy označována jako cislunární prostor .

Hluboký vesmír definuje vláda USA a dalších jako jakýkoli region mimo cislunární prostor. Mezinárodní telekomunikační unie zodpovědný za případné rádiové komunikace (včetně družic) definuje počátek hlubokého vesmíru v asi 5 krát větší než vzdálenost (2 × 10 6  km ).

Oblast, kde zemská gravitace zůstává dominantní vůči gravitačním odchylkám od Slunce, se nazývá Hill sphere . To sahá do translunárního prostoru do vzdálenosti zhruba 1% průměrné vzdálenosti od Země ke Slunci, neboli 1,5 milionu km (0,93 milionu mi).

Meziplanetární prostor

Vlevo dole vyniká na černém pozadí bílá kóma.  Mlhavý materiál proudí pryč nahoru a doleva, pomalu slábne s odstupem.
Řídké plazma (modré) a prach (bílé) v ocasu komety Hale – Bopp jsou tvarovány tlakem ze slunečního záření , respektive slunečního větru

Meziplanetární prostor je definován slunečním větrem, souvislým proudem nabitých částic vycházejících ze Slunce, který vytváří velmi tenkou atmosféru ( heliosféru ) na miliardy kilometrů do vesmíru. Tento vítr má hustotu částic 5–10 protonů /cm 3 a pohybuje se rychlostí 350–400 km /s (780 000–890 000 mph). Meziplanetární prostor zasahuje do heliopauzy, kde vliv galaktického prostředí začíná dominovat nad magnetickým polem a tokem částic ze Slunce. Vzdálenost a síla heliopauzy se liší v závislosti na úrovni aktivity slunečního větru. Heliopauza zase odklání nízkoenergetické galaktické kosmické paprsky, přičemž tento modulační efekt vrcholí během slunečního maxima.

Objem meziplanetárního prostoru je téměř úplné vakuum se střední volnou dráhou asi jedné astronomické jednotky na orbitální vzdálenosti Země. Tento prostor není zcela prázdný a je řídce vyplněn kosmickými paprsky, které zahrnují ionizovaná atomová jádra a různé subatomární částice. K dispozici je také plyn, plazma a prach, malé meteory a několik desítek typů organických molekul, které byly dosud objeveny mikrovlnnou spektroskopií . Mrak meziplanetárního prachu je v noci viditelný jako slabý pás zvaný zvěrokruhové světlo .

Meziplanetární prostor obsahuje magnetické pole generované Sluncem. Existují také magnetosféry generované planetami jako Jupiter, Saturn, Merkur a Země, které mají svá vlastní magnetická pole. Ty jsou tvarovány vlivem slunečního větru do aproximace tvaru slzy, přičemž dlouhý ocas se rozprostírá ven za planetu. Tato magnetická pole mohou zachytit částice ze slunečního větru a dalších zdrojů a vytvářet pásy nabitých částic, jako jsou Van Allenovy radiační pásy. Planety bez magnetických polí, jako je Mars, mají svou atmosféru postupně rozrušenou slunečním větrem.

Mezihvězdný prostor

Nerovnoměrná oranžová a modrá mlhovina na černém pozadí se zakřiveným oranžovým obloukem obklopujícím hvězdu uprostřed.
Příďový šok vytvořený magnetosférou mladé hvězdy LL Orionis (uprostřed) při srážce s proudem mlhoviny Orion

Mezihvězdný prostor je fyzický prostor v galaxii, který překračuje vliv, který má každá hvězda na obklopenou plazmu. Obsah mezihvězdného prostoru se nazývá mezihvězdné médium. Přibližně 70% hmotnosti mezihvězdného média tvoří osamocené atomy vodíku; většina zbytku se skládá z atomů helia. To je obohaceno o stopová množství těžších atomů vytvořených hvězdnou nukleosyntézou . Tyto atomy jsou vyvrženy do mezihvězdného média hvězdnými větry nebo když vyvinuté hvězdy začnou shazovat své vnější obaly, například při tvorbě planetární mlhoviny . Kataklyzmatická exploze supernovy generuje expandující rázovou vlnu sestávající z vyvržených materiálů, které dále obohacují médium. Hustota hmoty v mezihvězdném se mohou značně lišit: průměr je okolo 10 6 částic na m 3 , ale za studena molekulární mraky pojme 10 8 -10 12 na m 3 .

V mezihvězdném prostoru existuje řada molekul , stejně jako drobné prachové částice 0,1  μm . Součet molekul objevených prostřednictvím radioastronomie se neustále zvyšuje rychlostí přibližně čtyř nových druhů za rok. Velké oblasti hmoty s vyšší hustotou známé jako molekulární mraky umožňují chemické reakce, včetně tvorby organických polyatomických druhů. Velká část této chemie je poháněna kolizemi. Energetické kosmické paprsky pronikají do chladných, hustých mraků a ionizují vodík a helium, což má za následek například trihydrogenový kation . Ionizovaný atom hélia pak může rozštěpit relativně hojný oxid uhelnatý za vzniku ionizovaného uhlíku, což zase může vést k organickým chemickým reakcím.

Místní mezihvězdné médium je oblast prostoru do 100  parseků (pc) od Slunce, která je zajímavá jak svou blízkostí, tak interakcí se sluneční soustavou. Tento objem se téměř shoduje s oblastí vesmíru známou jako Místní bublina , která se vyznačuje nedostatkem hustých, studených mraků. To tvoří dutiny v rameni Oriona z Mléčné dráhy, s hustými molekulární mraky ležící podél hranic, jako jsou ty v konstelace z Ophiuchus a Taurus . (Skutečná vzdálenost k okraji této dutiny se pohybuje od 60 do 250 PC nebo více). Tento objem obsahuje asi 10 4 -10 5 hvězdy a místní mezihvězdné protiváhy plynů v astrospheres , které obklopují tyto hvězdy, přičemž objem každé koule Různě v závislosti na místní hustotě mezihvězdného média. Místní bublina obsahuje desítky teplých mezihvězdných mraků s teplotami až 7 000 K a poloměry 0,5–5 ks.

Když se hvězdy pohybují dostatečně vysokými zvláštními rychlostmi , jejich astroféry mohou při srážce s mezihvězdným médiem generovat otřesy lukem . Po celá desetiletí se předpokládalo, že Slunce má luk. V roce 2012 údaje z Interstellar Boundary Explorer (IBEX) a sondy NASA Voyager ukázaly, že sluneční luk neexistuje. Místo toho tito autoři tvrdí, že přechod z proudu slunečního větru do mezihvězdného média definuje podzvuková příďová vlna. Příďový šok je třetí hranicí astrosféry po ukončení šoku a astropauze (ve sluneční soustavě nazývané heliopauza).

Mezigalaktický prostor

Struktura vesmíru
Distribuce hmoty v krychlové části vesmíru. Modré vláknité struktury představují hmotu a prázdné oblasti mezi nimi představují kosmické dutiny mezigalaktického média.
Hvězda region -forming ve Velkém Magellanově mračnu , snad nejblíže Galaxy do zemské Galaxii

Intergalaktický prostor je fyzický prostor mezi galaxiemi. Studie rozsáhlé distribuce galaxií ukazují, že vesmír má strukturu podobnou pěně, přičemž skupiny a kupy galaxií leží podél vláken, která zabírají asi desetinu celkového prostoru. Zbytek tvoří obrovské prázdnoty, které jsou většinou prázdné od galaxií. Prázdnota obvykle zabírá vzdálenost (10–40) h −1 Mpc, kde h je Hubbleova konstanta v jednotkách 100 km s −1 Mpc −1 nebo bezrozměrná Hubbleova konstanta .

Kolem galaxií se táhne vzácná plazma uspořádaná v galaktické vláknové struktuře. Tento materiál se nazývá mezigalaktické médium (IGM). Hustota IGM je 5–200krát větší než průměrná hustota vesmíru. Skládá se převážně z ionizovaného vodíku; tj. plazma skládající se ze stejného počtu elektronů a protonů. Jako plyn se dostane do mezigalaktického média z dutin, se ohřeje na teplotu 10 5  K do 10 7  K, která je dostatečně vysoká, takže kolize mezi atomy mají dostatek energie pro způsobení spojených elektronů uniknout z jader vodíku; proto je IGM ionizovaný. Při těchto teplotách se tomu říká teplé – horké mezigalaktické médium (WHIM). (I když je plazma podle pozemských standardů velmi horká, 10 5 K se v astrofyzice často nazývá „teplý“.) Počítačové simulace a pozorování naznačují, že v tomto teplém a horkém, vzácném stavu může existovat až polovina atomové hmoty ve vesmíru. . Když plyn padá z vláknitých struktur WHIM do kup galaxií v průsečících kosmických vláken, může se ještě více zahřát a dosáhnout teploty 10 8  K a výše v takzvaném nitrobranném médiu (ICM).

Oběžná dráha Země

Kosmická loď vstupuje na oběžnou dráhu, když její dostředivé zrychlení v důsledku gravitace je menší nebo rovné odstředivému zrychlení v důsledku horizontální složky její rychlosti. Pro nízkou oběžnou dráhu Země je tato rychlost asi 7800 m/s (28 100 km/h; 17 400 mph); Naproti tomu dosud nejrychlejší pilotovaná rychlost letounu (bez rychlosti dosažené deorbitací kosmické lodi) byla v roce 1967 severoamerickou X-15 2200 m/s (7900 km/h; 4900 mph) .

K dosažení oběžné dráhy musí kosmická loď cestovat rychleji než suborbitální vesmírný let . Energie potřebná k dosažení oběžné rychlosti Země v nadmořské výšce 600 km (370 mi) je asi 36  MJ /kg, což je šestkrát více energie, než je potřeba k vylétnutí do odpovídající výšky. Kosmické lodě s perigee pod asi 2 000 km (1 200 mi) podléhají tažení ze zemské atmosféry, což snižuje orbitální výšku. Rychlost orbitálního rozpadu závisí na průřezu a hmotnosti satelitu a také na změnách hustoty vzduchu v horní atmosféře. Pod zhruba 300 km (190 mi) se rozpad zrychluje, přičemž jeho životnost se měří ve dnech. Jakmile satelit klesne na 180 km (110 mi), trvá jen několik hodin, než se vypaří v atmosféře. Úniková rychlost musí vyprostit z gravitačního pole Země dohromady a krok do meziplanetárního prostoru je cca 11.200 m / s (40300 km / h, 25.100 mph).

Hranice

Bílá raketa s podivně tvarovanými křídly v klidu na přistávací dráze.
SpaceShipOne dokončil první lidský soukromý vesmírný let v roce 2004 a dosáhl výšky 100,12 km (62,21 mi).

Neexistuje žádná jasná hranice mezi zemskou atmosférou a prostorem, protože hustota atmosféry se s rostoucí nadmořskou výškou postupně snižuje. Existuje několik standardních označení hranic, a to:

  • Mezinárodní letecké federace zavedla na Karman linka v nadmořské výšce 100 km (62 mi) jako pracovní definice pro hranici mezi letectví a kosmonautiky. Používá se to proto, že ve výšce asi 100 km (62 mi), jak vypočítal Theodore von Kármán , by vozidlo muselo cestovat rychleji než oběžnou rychlostí, aby odvodilo dostatečný aerodynamický vztlak z atmosféry, aby se uživilo.
  • Spojené státy označují lidi, kteří cestují nad nadmořskou výškou 50 mil (80 km), za astronauty .
  • Raketoplán NASA použil 122 000 stop (122 km, 76 mil) jako svou výšku pro opětovný vstup (nazývanou Vstupní rozhraní), která zhruba označuje hranici, kde je patrný atmosférický odpor , čímž začíná proces přechodu z řízení pomocí trysek na manévrování s aerodynamickými ovládacími plochami.

V roce 2009 vědci informovali o podrobných měřeních pomocí Supra-Thermal Ion Imager (nástroj, který měří směr a rychlost iontů), což jim umožnilo stanovit hranici 118 km (73,3 mil) nad Zemí. Hranice představuje střed postupného přechodu přes desítky kilometrů od relativně mírných větrů zemské atmosféry k prudším proudům nabitých částic v prostoru, které mohou dosahovat rychlostí hodně přes 268 m/s (600 mph).

Právní status

Nahoře temná raketa vysílá jasný oblak plamene proti modré obloze.  Dole sloup kouře částečně skrývá námořní loď.
2008 vypuštění rakety SM-3 použité ke zničení amerického průzkumného satelitu USA-193

Space Smlouva Outer poskytuje základní rámec pro mezinárodní kosmické právo. Pokrývá legální využití vesmíru národními státy a ve své definici zahrnuje vesmír , Měsíc a další nebeská tělesa. Smlouva uvádí, že vesmír je volně prozkoumatelný všemi národními státy a nepodléhá nárokům na národní suverenitu , přičemž vesmír nazývá „provincií celého lidstva“. Tento status společného dědictví lidstva byl použit, i když ne bez odporu, k prosazování práva na přístup a sdílené využívání vnějšího prostoru pro všechny národy stejně, zejména pro národy, které necestují po vesmíru. Rovněž zakazuje vývoj jaderných zbraní ve vesmíru. Smlouva byla schválena Valným shromážděním OSN v roce 1963 a podepsána v roce 1967 SSSR, Spojenými státy americkými a Spojeným královstvím. V roce 2017 smlouvu ratifikovalo nebo k ní přistoupilo 105 států. Dalších 25 států smlouvu podepsalo, aniž by ji ratifikovalo.

Od roku 1958 je vesmír předmětem několika rezolucí OSN. Více než 50 z nich se týkalo mezinárodní spolupráce v mírovém využívání vesmíru a předcházení závodům ve zbrojení ve vesmíru. Výbor OSN pro mírové využití vesmíru sjednal a sepsal další čtyři smlouvy o vesmírném právu . Přesto neexistuje žádný zákonný zákaz nasazení konvenčních zbraní do vesmíru a protidružicové zbraně byly úspěšně testovány USA, SSSR, Čínou a v roce 2019 Indií. Měsíční smlouva z roku 1979 předala jurisdikci všech nebeských těles (včetně oběžných drah kolem těchto těles) mezinárodnímu společenství. Smlouvu neratifikoval žádný národ, který v současné době praktikuje lety do vesmíru.

V roce 1976 se v Bogotě v Kolumbii setkalo osm rovníkových států ( Ekvádor , Kolumbie , Brazílie , Kongo , Zaire , Uganda , Keňa a Indonésie ) . Svým „ Prohlášením prvního setkání rovníkových zemí“ nebo „Bogotskou deklarací“ prohlásili kontrolu nad segmentem geosynchronní orbitální dráhy odpovídající každé zemi. Tyto nároky nejsou mezinárodně uznávány.

Objev, průzkum a aplikace

Objev

V roce 350 př . N. L. Řecký filozof Aristoteles navrhl, že příroda odporuje vakuu , principu, který se stal známým jako horor vakuum . Tento koncept stavěl na ontologickém argumentu BCE 5. století řeckého filozofa Parmenidesa , který popíral možnou existenci prázdnoty ve vesmíru. Na základě této myšlenky, že vakuum nemůže existovat, se na Západě po mnoho staletí všeobecně tvrdilo, že prostor nemůže být prázdný. Ještě v 17. století francouzský filozof René Descartes tvrdil, že musí být vyplněn celý prostor.

Ve starověké Číně se astronom 2. století Zhang Heng přesvědčil, že vesmír musí být nekonečný a přesahuje daleko za mechanismus, který podporoval Slunce a hvězdy. Přežívající knihy školy Hsüan Yeh říkaly, že nebesa jsou neomezená, „prázdná a bez obsahu“. Stejně tak „slunce, měsíc a společnost hvězd plují v prázdném prostoru, pohybují se nebo stojí na místě“.

Italský vědec Galileo Galilei věděl, že vzduch má hmotnost, a proto podléhá gravitaci. V roce 1640 prokázal, že zavedená síla odolává vzniku vakua. Jeho žák Evangelista Torricelli by zůstal vytvořit zařízení, které by produkovalo částečné vakuum v roce 1643. Tento experiment vyústil v první rtuťový barometr a vytvořil vědeckou senzaci v Evropě. Francouzský matematik Blaise Pascal usoudil, že pokud byl sloupec rtuti podporován vzduchem, pak by měl být sloupec kratší ve vyšší nadmořské výšce, kde je tlak vzduchu nižší. V roce 1648 jeho švagr Florin Périer zopakoval experiment na hoře Puy de Dôme ve střední Francii a zjistil, že sloup byl kratší o tři palce. Toto snížení tlaku bylo dále demonstrováno přenesením poloplného balónu na horu a sledováním jeho postupného rozpínání a následným smršťováním při sestupu.

Skleněná vitrína drží mechanické zařízení s ramenem páky a dvě kovové polokoule připevněné k tažným lanům
Původní magdeburské hemisféry (vlevo dole) sloužily k ukázce vakuové pumpy Otto von Guericke (vpravo)

V roce 1650 německý vědec Otto von Guericke sestrojil první vakuovou pumpu: zařízení, které by dále vyvrátilo princip hororového vakua . Správně poznamenal, že atmosféra Země obklopuje planetu jako ulita, přičemž hustota postupně klesá s výškou. Došel k závěru, že mezi Zemí a Měsícem musí být vakuum.

V 15. století německý teolog Nicolaus Cusanus spekuloval, že vesmíru chybí střed a obvod. Věřil, že vesmír, i když není nekonečný, nemůže být držen tak konečný, protože postrádá jakékoli hranice, v nichž by mohl být obsažen. Tyto myšlenky vedly v 16. století ke spekulacím o nekonečné dimenzi prostoru od italského filozofa Giordana Bruna . Koperníkovskou heliocentrickou kosmologii rozšířil na koncept nekonečného vesmíru naplněného látkou, kterou nazýval éter , která nebránila pohybu nebeských těles. K podobnému závěru dospěl anglický filozof William Gilbert , který tvrdil, že hvězdy jsou pro nás viditelné pouze proto, že jsou obklopeny tenkým éterem nebo prázdnotou. Tento koncept éteru vznikl u starověkých řeckých filozofů, včetně Aristotela, který jej pojal jako médium, kterým se pohybují nebeská těla.

Pojem Vesmír naplněný světelným éterem si u některých vědců udržel podporu až do počátku 20. století. Tato forma éteru byla vnímána jako médium, kterým se světlo může šířit. V roce 1887 se pokus Michelson – Morley pokusil detekovat pohyb Země prostřednictvím tohoto média hledáním změn rychlosti světla v závislosti na směru pohybu planety. Výsledek null uvedeno něco není s konceptem špatné. Myšlenka na světelný éter byla poté opuštěna. Byla nahrazena teorií speciální relativity Alberta Einsteina , která tvrdí, že rychlost světla ve vakuu je pevná konstanta, nezávislá na pohybu nebo referenčním rámci pozorovatele .

Prvním profesionálním astronomem, který podpořil koncept nekonečného vesmíru, byl Angličan Thomas Digges v roce 1576. Rozsah vesmíru však zůstal neznámý až do prvního úspěšného měření vzdálenosti od blízké hvězdy v roce 1838 německým astronomem Friedrichem Besselem . Ukázal, že hvězdný systém 61 Cygni měl paralaxu pouhých 0,31  obloukových sekund (ve srovnání s moderní hodnotou 0,287 ″). To odpovídá vzdálenosti přes 10 světelných let . V roce 1917 Heber Curtis poznamenal, že novy ve spirálních mlhovinách byly v průměru o 10 magnitud slabších než galaktické novy, což naznačuje, že ty první jsou 100krát dále. Vzdálenost ke galaxii Andromeda byla určena v roce 1923 americkým astronomem Edwinem Hubblem měřením jasu proměnných cepheidů v této galaxii, což je nová technika objevená Henriettou Leavittovou . Tím se zjistilo, že galaxie Andromeda a potažmo všechny galaxie leží daleko mimo Mléčnou dráhu .

Moderní pojetí vesmíru vychází z kosmologie „velkého třesku“ , kterou poprvé navrhl v roce 1931 belgický fyzik Georges Lemaître . Tato teorie tvrdí, že vesmír pochází z velmi husté formy, která od té doby prochází neustálou expanzí .

Nejdříve známý odhad teploty vesmíru byl švýcarský fyzik Charles É. Guillaume v roce 1896. Pomocí odhadovaného záření hvězd pozadí došel k závěru, že prostor musí být zahřát na teplotu 5–6 K. Britský fyzik Arthur Eddington provedl podobný výpočet, aby v roce 1926 odvodil teplotu 3,18 K. Německý fyzik Erich Regener použil celkovou naměřenou energii kosmických paprsků k odhadu mezigalaktické teploty 2,8 K v roce 1933. Američtí fyzici Ralph Alpher a Robert Herman předpovídali 5 K pro teplotu prostoru v roce 1948 na základě postupného snižování energie pozadí po nová teorie velkého třesku . Moderní měření kosmického mikrovlnného pozadí je asi 2,7 kB.

Termín vnější prostor použil v roce 1842 anglická básnířka Lady Emmeline Stuart-Wortley ve své básni „Dívka z Moskvy“. Výraz kosmický prostor použil jako astronomický termín Alexander von Humboldt v roce 1845. Později byl propagován ve spisech HG Wellse v roce 1901. Kratší termín prostor je starší, poprvé se jím označoval region mimo zemskou oblohu v John Milton ' s Paradise Lost v roce 1667.

Průzkum a aplikace

První snímek člověka z celé Země, který pravděpodobně vyfotografoval William Anders z Apolla 8 . Jih je nahoře; Střední Amerika je uprostřed.

Po většinu lidské historie byl vesmír zkoumán pozorováním z povrchu Země - nejprve pouhým okem a poté dalekohledem. Před spolehlivou raketovou technologií se lidé do vesmíru dostali nejblíže lety balónem. V roce 1935 let balónem s posádkou US Explorer II dosáhl výšky 22 km (14 mi). To bylo značně překročeno v roce 1942, kdy se třetí start německé rakety A-4 vyšplhal do výšky asi 80 km (50 mi). V roce 1957 vypustila ruská raketa R-7 bezpilotní satelit Sputnik 1 , který dosáhl oběžné dráhy Země ve výšce 215–939 kilometrů (134–583 mi). Následoval první let do vesmíru v roce 1961, kdy byl Yuri Gagarin vyslán na oběžnou dráhu na Vostok 1 . Prvními lidmi, kteří unikli na oběžnou dráhu Země, byli Frank Borman , Jim Lovell a William Anders v roce 1968 na palubě amerického Apolla 8 , které dosáhlo měsíční oběžné dráhy a dosáhlo maximální vzdálenosti 377 349 km (234 474 mi) od Země.

První kosmickou lodí, která dosáhla únikové rychlosti, byla sovětská Luna 1 , která provedla průlet Měsícem v roce 1959. V roce 1961 se Venera 1 stala první planetární sondou. Odhalil přítomnost slunečního větru a provedl první průlet Venuší , ačkoli kontakt byl ztracen před dosažením Venuše. První úspěšnou planetární misí byl průlet Venuše v roce 1962 Marinerem 2 . První průlet Marsem uskutečnil Mariner 4 v roce 1964. Od té doby kosmická loď bez posádky úspěšně prozkoumala každou z planet sluneční soustavy, stejně jako jejich měsíce a mnoho menších planet a komet. Zůstávají základním nástrojem pro průzkum vesmíru i pro pozorování Země. V srpnu 2012 se Voyager 1 stal prvním člověkem vyrobeným objektem, který opustil sluneční soustavu a vstoupil do mezihvězdného prostoru .

Absence vzduchu činí z vesmíru ideální místo pro astronomii na všech vlnových délkách elektromagnetického spektra . Dokládají to velkolepé obrázky zaslané Hubblovým vesmírným teleskopem , které umožňují pozorovat světlo před více než 13 miliardami let - téměř do doby Velkého třesku. Ne každé místo ve vesmíru je pro dalekohled ideální. Meziplanetární zvířetníkový prach vyzařuje difúzní blízké infračervené záření, které mohou maskovat emise slabých zdrojů, jako exoplanet. Pohybem infračerveného dalekohledu kolem prachu se zvyšuje jeho účinnost. Podobně by místo jako kráter Daedalus na odvrácené straně Měsíce mohlo chránit radioteleskop před vysokofrekvenčním rušením, které brání pozorování na Zemi.

Kosmické lodě bez posádky na oběžné dráze Země jsou základní technologií moderní civilizace. Umožňují přímé sledování povětrnostních podmínek , přenášejí dálkové komunikace jako televize, poskytují prostředky přesné navigace a umožňují dálkové snímání Země. Druhá role slouží široké škále účelů, včetně sledování půdní vlhkosti pro zemědělství, predikce odtoku vody ze sezónních sněhových balíků, detekce chorob v rostlinách a stromech a sledování vojenských aktivit.

Hluboké vakuum vesmíru by z něj mohlo učinit atraktivní prostředí pro určité průmyslové procesy, například ty, které vyžadují ultračisté povrchy. Stejně jako asteroid hornictví , prostor výroba bude vyžadovat velké finanční investice s malou vyhlídkou na okamžitý návrat. Důležitým faktorem celkových nákladů jsou vysoké náklady na umístění hmoty na oběžnou dráhu Země: 8 000–26 000 $ za kg, podle odhadu z roku 2006 (od té doby umožňuje inflaci). Náklady na přístup do vesmíru od roku 2013 klesly. Částečně opakovaně použitelné rakety, jako je Falcon 9 , snížily přístup do vesmíru pod 3500 dolarů za kilogram. S těmito novými raketami zůstávají náklady na odeslání materiálu do vesmíru v mnoha průmyslových odvětvích neúměrně vysoké. Navrhovaná koncepce řešení tohoto problému patří plně k opakovanému použití spouštěcích systémů , non-raketový spacelaunch , hybnosti postrojů a vesmírné výtahy .

Mezihvězdné cestování lidské posádky zůstává v současnosti pouze teoretickou možností. Vzdálenosti k nejbližším hvězdám znamenají, že by to vyžadovalo nový technologický vývoj a schopnost bezpečně udržovat posádky na cestách trvajících několik desetiletí. Například Daedalus projekt studie, která navrhuje raketu poháněn fúzi z deuteria a hélia-3 , by vyžadovala 36 let dosáhnout „okolí“ Alpha Centauri systém. Mezi další navrhované mezihvězdné pohonné systémy patří lehké plachty , ramjety a paprskový pohon . Pokročilejší pohonné systémy by mohly jako palivo používat antihmotu , potenciálně dosahující relativistických rychlostí .

Viz také

Reference

Citace

Prameny

externí odkazy