Космос не пуст: удивительные факты о плотности
Здесь, на Земле, существуют огромные различия в плотности того, с чем мы обычно сталкиваемся.
Твердые, плотные металлы, такие как золото или вольфрам, обладают очень высокой плотностью.
Если бы у вас был куб со стороной один метр (3 фута и 3,39 дюйма) — кубический метр — из золота, он весил бы приблизительно 19 метрических тонн: более 42 000 фунтов.
Если бы этот куб был сделан из воды, он весил бы всего 1 метрическую тонну, или 2205 фунтов.
Если бы тот же куб был сделан из воздуха при комнатной температуре и на уровне моря, он весил бы всего около 1,2 килограмма, или 2,6 фунта.
И хотя создание вакуума на Земле, объема пространства, максимально свободного от частиц, является сложной задачей, мы создали устройства, которые снижают плотность до менее чем одной триллионной части плотности воздуха, обычно встречающейся на Земле.
Но мы часто говорим о космосе как о месте абсолютной пустоты.
Плотность во Вселенной может быть экстремальной по сравнению с любой плотностью на нашей планете, даже с учетом всех достижений науки и техники.
На этом снимке NIRCam, сделанном JWST, окружающей среды вокруг галактической системы ZS7, демонстрируются различные звезды и галактики на различных космических расстояниях. Хотя мы обычно говорим о глубинах космоса как о вакууме, самые глубокие и разреженные космические пустоты, обнаруженные между галактиками, могут быть в миллионы раз менее плотными, чем даже самые нетронутые области, обнаруженные где-либо в межпланетном или даже близлежащем межзвездном пространстве.
Как плотность того, что мы находим во Вселенной, соотносится с тем, к чему мы привыкли здесь, на Земле?
Именно это хочет узнать Пол Кизиват (Paul Kyzivat):
«Как плотность межзвездных газовых облаков соотносится с плотностью, которую ощущают люди?
Будет ли она выше, чем плотность космического пространства на низкой околоземной орбите?
Какова была бы плотность, в человеческом понимании, в протопланетном диске?»
В бездне глубокого космоса находится огромное количество объектов, причем межпланетное, межзвездное и межгалактическое пространство отличается по плотности не только от того, что мы видим на Земле, но и друг от друга.
На этом снимке, сделанном в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне в 2017 году, изображен телескоп JWST НАСА перед запуском после прохождения испытаний в «Камере А» — огромной термовакуумной испытательной камере, предназначенной для обеспечения работоспособности оборудования космического аппарата в условиях, аналогичных тем, в которых оборудование будет работать в вакууме космического пространства.
В лабораторных условиях вакуум часто создают по разным причинам.
Например, в НАСА существуют вакуумные камеры для тестирования космического оборудования, чтобы убедиться в его надежности и работоспособности в экстремальных условиях низкого давления, характерных для космоса.
Эти низкие давления, которые могут опускаться ниже одной миллиардной части нормального атмосферного давления Земли, сопровождаются экстремальными температурами, часто достигающими -260 °C (-436 °F).
В единицах измерения, известных как Паскаль (где 1 Па = 1 Н/м²), атмосферное давление Земли составляет приблизительно 101 000 Па, тогда как в «Камере А» в Космическом центре им. Джонсона НАСА (где тестировался телескоп JWST, показанный выше) давление может достигать 0,0001 Па, а в крайних значениях даже приближаться к 0,00001 Па.
Это удивительный вакуум, но есть еще две вакуумные системы на Земле, которые превосходят все остальные по своей первозданности и по тому, как мало частиц в них осталось.
Это:
- Для создания сверхвысокого вакуума внутри экстремальной вакуумной камеры LIGO, объем которой составляет 10 000 кубических метров, потребовалось более 40 дней непрерывной откачки, и давление в ней снизилось до 0,00000013 Па (одна триллионная часть стандартного атмосферного давления Земли);
- А также на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, где поддерживается температура от 1,9 до 20 К, вакуум достигает поразительной 0,1 триллионной доли атмосферного давления Земли в крайних значениях: 10 миллиардных долей Паскаля.
Это свидетельствует об удивительно низкой плотности: самой низкой из когда-либо достигнутых на Земле при любых условиях, лабораторных или естественных.
На этой фотографии показан фрагмент трубы пучка LIGO в процессе сборки, где привариваются опорные кольца для повышения структурной целостности стальной конструкции трубы. Сила воздушного потока, действующего на внешнюю поверхность трубы, составляет приблизительно 300 миллионов фунтов, в то время как внутри трубы находится один из самых идеальных вакуумов, когда-либо созданных. Сталь должна выдерживать всю эту силу.
Однако не стоит обманываться этими крошечными цифрами: даже в условиях экстремального вакуума это всё равно означает значительное количество частиц в заданном объёме пространства.
Атмосферное давление Земли в стандартных условиях составляет примерно 40-41 моль на кубический метр объёма, где моль равен одному числу Авогадро (6 × 1023) частиц.
Это означает, что даже в самой разреженной части вакуума Большого адронного коллайдера плотность частиц всё ещё составляет около 2,4 триллиона (2,4 × 1012) атомов на кубический метр пространства.
Это чрезвычайно низкая плотность по сравнению с тем, что мы обычно наблюдаем, но, безусловно, существуют области пространства с ещё меньшей плотностью.
Помните: космическое пространство в основном пустое, а расстояния между объектами огромны.
Наибольшая плотность частиц наблюдается там, где материя собралась наиболее значительным образом, например, внутри или вокруг планет, звезд и других плотных, массивных объектов.
Например, обычно мы представляем Луну как безвоздушный мир, полностью лишенный атмосферы.
Это отличное приближение в большинстве случаев, если мы ограничимся сравнением плотности лунной «атмосферы» с атмосферами Земли или других планет Солнечной системы.
Однако, в значительной степени обусловленные взаимодействием с солнечным излучением и солнечным ветром (хотя бомбардировка поверхности микрометеоритами и радиоактивный распад элементов, находящихся внутри Луны, также вносят свой вклад), элементы, содержащиеся в лунной пыли, часто левитируют, что придает Луне очень тонкую атмосферу толщиной около 0,3 нанопаскаля, состоящую преимущественно из:
- аргона;
- гелия;
- и неона.
В атмосфере Луны также присутствуют следы натрия, калия и водорода.
По плотности, атмосфера Луны содержит приблизительно 80 миллиардов частиц на кубический метр.
В ходе миссии НАСА 1968 года «Surveyor 7» наблюдалось левитирование пыли на поверхности Луны, создающее эффект, известный как свечение лунного горизонта. Хотя это изображение было получено в 1968 году, оно позволило нам узнать плотность пыли в этой искусственно созданной лунной атмосфере, которая, несмотря на свою разреженность, до сих пор измеряется триллионами частиц на кубический метр.
Важно отметить, что эта плотность ниже, чем где-либо на Земле, даже в самых чистых вакуумах.
Однако она также относительно высока по сравнению с другими «разреженными» местами во Вселенной.
Если мы посмотрим на пространство между звездами — известное как межзвездная среда — мы иногда будем сталкиваться с облаками газа.
Многие из этих облаков горячие, разреженные и быстро движущиеся, что делает их плохими кандидатами для образования новых звезд в ближайшем будущем.
Однако плотные, холодные и медленно движущиеся облака часто являются идеальными кандидатами для первоначального сжатия, а затем для фрагментации и коллапса, что приводит к образованию новых звезд.
В разреженных облаках плотность может составлять всего от 1 до 100 миллионов частиц на кубический метр, но в более плотных — от миллиарда до триллиона частиц на кубический метр: это сопоставимо с плотностью лунной атмосферы.
Это далеко не те плотности, которые мы наблюдаем на Земле; они гораздо более разреженные, даже по сравнению с самыми чистыми вакуумами, которые мы можем создать здесь, на нашей планете.
В средах, где образуются новые звезды, плотность может быть высокой по сравнению с общей плотностью Вселенной, но она удивительно низка по сравнению с любой средой на нашей планете.
Этот небольшой участок вблизи центра NGC 2014 демонстрирует сочетание испаряющихся газовых глобул и свободно плавающих глобул Бока (Bok globules), поскольку пыль переходит от горячих, разреженных нитей в верхней части к более плотным и холодным облакам, где внутри образуются новые звезды. Сочетание цветов отражает разницу температур и эмиссионных линий различных атомных сигнатур. Эти облака газа намного плотнее, чем в среднем по космосу, но даже в показанных здесь темных местах содержится меньше частиц на кубический метр пространства, чем в самых чистых вакуумных системах, созданных на Земле.
Для протопланетных дисков это представляет собой гораздо более плотные среды на более поздних стадиях развития, чем газовые облака, которые дали начало как самим протопланетам, так и окружающим их звездам.
Представьте, что вы берете огромное облако газа и сжимаете большую часть этого материала до нескольких гораздо меньших по размеру сгустков.
Конечно, эти сгустки будут нагреваться и начинать излучать радиацию по мере уменьшения в размерах: гравитационное сжатие преобразует потенциальную энергию в кинетическую, а кинетическая энергия частиц внутри приводит к тому, что материал излучает радиацию при определенной температуре.
Но не весь этот материал состоит из водорода и гелия; к этому моменту космической истории около 1-2% его, особенно в нашей собственной галактике, состоит из более тяжелых элементов: кислорода, углерода, азота, кремния, серы, железа и многих других каменистых и металлических материалов.
Эти материалы являются самыми тяжелыми и плотными, поэтому они имеют тенденцию опускаться: к срединным плоскостям протопланетных дисков с большей плотностью вблизи звезды/протозвезды, которую они окружают.
В самых плотных частях протопланетных дисков плотность может достигать 100 триллионов частиц на кубический метр: это сравнимо с самым экстремальным вакуумом, который мы можем создать на Земле.
Это не должно вызывать удивления, поскольку в таких средах образуются планеты, луны и другие твердые тела, обычно встречающиеся в звездных системах.
По мере того, как гравитационные эффекты начинают преобладать, именно самые массивные и плотные скопления притягивают к себе наибольшее количество материи и, следовательно, становятся наиболее вероятными телами, способными пережить бурные процессы своего зарождения.
Хотя звезды, галактики и Млечный Путь — привычные зрелища на ночном небе, здесь к ним присоединяется слабый зодиакальный свет, возникающий от отражения света (в основном прямого солнечного света) от частиц пыли Солнечной системы. Зодиакальная пыль, обильно присутствующая во внутренней части Солнечной системы, является принципиально ограничивающим фактором при сборе слабых данных о далекой Вселенной и состоит в основном из зерен размером от 10 микрон до 1 сантиметра. Даже там, где ее присутствие в Солнечной системе минимально, она все равно обеспечивает миллионы атомов на кубический метр пространства.
Однако, если углубиться в космос, подальше от крупных масс или скоплений вещества, плотность будет двигаться в противоположном направлении: она резко упадет.
В нашей Солнечной системе есть планеты, луны, астероиды, кентавры (небольшие объекты между поясами астероидов и Койпера), объекты пояса Койпера и объекты облака Оорта — наряду с нашим Солнцем — в виде плотных, массивных объектов, сгруппированных вместе.
Наш протопланетный диск давно испарился, как и любые следы околозвездного обломочного диска.
В Солнечной системе осталось лишь небольшое количество мельчайших частиц: некоторые из них испущены Солнцем, некоторые пришли из межзвездного пространства, а некоторые сохранились в виде облака межпланетной пыли, наблюдаемого как отраженный источник нашего зодиакального света.
Межпланетной пыли очень и очень мало, особенно по сравнению с средами, которые мы обсуждали совсем недавно: межзвездными газовыми облаками и протопланетными дисками.
Однако на каждый кубический метр межпланетного пространства приходится от 5 до 40 миллионов частиц: в основном атомы, в основном более тяжелые элементы, но с примесью более легких элементов и ионов.
Эти плотности меньше, чем все, что мы рассматривали до сих пор, ниже, чем даже в разреженных, быстро движущихся, горячих межзвездных газовых облаках.
Но межпланетная среда все еще находится в пределах нашей Солнечной системы, и, следовательно, в среднем все еще плотнее, чем то, что мы обнаруживаем, когда переходим к межзвездному пространству: пространству за пределами любой звездной системы, а не внутри нее.
В 1977 году космические аппараты НАСА «Вояджер-1» и «Вояджер-2» начали своё новаторское путешествие по Солнечной системе с целью посещения гигантских внешних планет. Сейчас «Вояджеры» несутся по неизведанным территориям в своём путешествии за пределы нашей Солнечной системы. По пути они измеряют межзвёздную среду — таинственную среду между звёздами, заполненную обломками давно умерших звёзд. В 1998 году «Вояджер-1» стал самым далёким от Земли космическим аппаратом, и ни один другой запущенный до сих пор аппарат не имеет шанса его догнать.
В межзвездном пространстве — вдали от любых центров звездообразования или формирования планет, и за пределами любых межзвездных газовых облаков — плотность начинает резко падать.
Если бы вы покинули Солнечную систему так, как это сделали «Вояджер-1» и «Вояджер-2», вы оказались бы за пределами сферы влияния Солнца, в настоящем межзвездном пространстве.
Там бы встречались отдельные пылевые частицы, но их гораздо меньше, чем в нашей Солнечной системе, и они составляют лишь около 1% вещества в межзвездном пространстве.
Вместо этого межзвездная среда состоит преимущественно из газа, и в основном из водорода, но в более теплых, рассеянных областях пространства этот газ ионизируется, превращаясь в плазму.
Даже за пределами молекулярных облаков, в более плотных нейтральных областях межзвездной среды содержится приблизительно один миллион частиц на кубический метр.
Но в более разреженных областях, которые, как правило, содержат:
- более горячий и более разбавленный;
- а также в галактическом гало, а не в его плоскости;
- и скорее на окраинах галактики, чем в её центре.
В межзвездной среде может содержаться всего тысяча частиц на кубический метр или даже несколько сотен.
Плотность межзвездной среды ниже, чем в любом из упомянутых выше мест: межпланетном пространстве, над поверхностями «безвоздушных» миров, в протопланетных системах или в газовых облаках.
Но материя уже сгруппировалась в эти галактики, где она была аккрецирована давным-давно из областей, которые сегодня не богаты галактиками: из глубин межгалактического пространства.
Эволюция крупномасштабной структуры во Вселенной от раннего однородного состояния до кластеризованной Вселенной, которую мы знаем сегодня. Обратите внимание, что структура в больших масштабах развивается медленнее и в более поздние сроки, чем в меньших, из-за конечной скорости гравитации. Тип и обилие темной материи привели бы к появлению совершенно другой Вселенной, если бы мы изменили то, чем обладает наша Вселенная. В то время как материя собирается вдоль этих нитей, образуя звезды, галактики, скопления галактик и многое другое, она собирает эту материю из того, что станет космическими пустотами: самых разреженных областей межгалактического пространства.
В нашей современной Вселенной межгалактическое пространство представляет собой области, которые сделали именно это: на протяжении миллиардов лет отдавали свою материю более плотным областям, окружающим их.
Они представляют собой области со средней или даже ниже средней космической плотностью.
Вдали от любых галактик они представляют собой проигравших в великой космической борьбе между расширением и гравитацией.
В то время как звездные скопления, галактики, скопления галактик и нити великой космической паутины представляют собой победителей — где изначально сверхплотные области росли, притягивая дополнительную материю из окружающей среды — области, которые отдали свою материю, чтобы обеспечить образование этих объектов, имеют самую низкую плотность во Вселенной.
Самый простой способ определить среднюю плотность межгалактического пространства, поскольку оно практически не оставляет наблюдаемых следов на проходящем через него свете — это вернуться к самым ранним сигналам, полученным во время Большого взрыва:
- Свет от космического микроволнового фона, который показывает, что соотношение темной материи к обычной материи составляет примерно пять к одному, позволяет нам измерить плотность фотонов во Вселенной;
- А также распространенность легких элементов, которая позволяет определить соотношение барионов и фотонов, или сколько протонов и нейтронов в сумме приходится на каждый фотон, созданный в Большом взрыве.
Сегодня эти цифры содержат крайне малые погрешности: плотность числа фотонов от Большого взрыва составляет 411 на кубический сантиметр, в то время как отношение числа барионов к числу фотонов составляет примерно 6,1 × 10-10, или что на каждый барион приходится около 1,6 миллиарда фотонов.
Предсказанные концентрации гелия-4, дейтерия, гелия-3 и лития-7, согласно теории нуклеосинтеза Большого взрыва, с данными наблюдений, показанными красными кругами. Если бы фотонов на барион было значительно меньше (в правом углу), все вещества на ранних стадиях превратились бы в гелий или более тяжелые элементы, и свободного водорода бы не осталось. В настоящее время на каждые 1,6 миллиарда фотонов, образовавшихся во время Большого взрыва, приходится примерно один барион (протон или нейтрон).
Это, если немного посчитать, соответствует плотности примерно 0,25 атомов водорода на кубический метр.
Такова средняя плотность объектов во Вселенной.
Тёмной материи примерно в пять раз больше, но поскольку тёмная материя, по-видимому, не взаимодействует со светом или обычной материей, она присутствует только гравитационно.
Но помните: у нас есть не только области повышенной плотности, такие как галактики и их окружение, но и области пониженной плотности в виде космических пустот.
Хотя, если измерять космическую пустоту по количеству находящихся в ней галактик, можно предположить, что эти пустоты представляют собой очень пустые области, содержащие лишь около 10-20% от количества галактик, находящихся за их пределами, исследования с использованием поглощения звездного света или слабого гравитационного линзирования, чувствительные даже к очень малоплотным скоплениям нейтральной материи, показывают, что в этих пустотах все еще присутствует значительное количество обычной материи.
Даже в самых экстремальных, современных космических пустотах всё ещё присутствует примерно 50% «средней» плотности материи, что указывает на то, что самые крайние ранние оценки, утверждавшие, что остаётся лишь 10-20% от нормальной плотности материи, были слишком завышенными.
Похоже, что даже в самых глубоких слоях межгалактического пространства, с самой низкой плотностью материи, всё ещё присутствует примерно 0,1 протона (и 0,1 электрона) на кубический метр объёма.
Если мы хотим ещё больше снизить плотность, нам придётся дождаться расширения Вселенной: увеличения её объёма при сохранении постоянного числа частиц.
На этом графике показана глубина космических пустот, определенная с помощью слабого гравитационного линзирования в различных масштабах на разных этапах космической истории. Как показывают данные, предыдущие результаты, основанные на подсчете галактик (на некоторых панелях выделены желтым цветом), переоценивают дефицит плотности в пустотах. Анализ, основанный на гравитационных данных, показывает, что даже в самых значительных пустотах содержится примерно 50% вещества, находящегося в областях со средней плотностью.
Вы можете задаться вопросом, как всё это соотносится с тем, что мы обычно считаем «космическим пространством», которое, как правило, синонимично низкой околоземной орбите: всего несколько сотен километров на высоте.
Хотя плотность там намного ниже, чем, скажем, ниже на нашей планете или ближе к поверхности, она всё равно огромна по сравнению со всеми более точными рассуждениями, которые мы сделали до сих пор.
В дополнение к самой верхней части нашей атмосферы (экзосфере), с которой нам приходится иметь дело, что соответствует плотности около нескольких сотен триллионов частиц на кубический метр, мы также будем испытывать:
- Микрометеориты — это частицы размером от микрона до миллиметра, миллиарды которых находятся вблизи низкой околоземной орбиты;
- Мелкие обломки космического мусора, созданного человеком — более 130 миллионов таких обломков размером около сантиметра или меньше находятся на низкой околоземной орбите;
- Примерно 1,1 миллиона фрагментов космического мусора среднего размера, созданного человеком (размером более 1 см), находятся на низкой околоземной орбите;
- Десятки тысяч крупных (размером более 10 см, или 4 дюймов) обломков космического мусора, созданного человеком;
- А также почти 20 000 спутников, как действующих, так и неактивных, находящихся на низкой околоземной орбите.
Многослойная атмосфера Земли вносит огромный вклад в развитие и поддержание жизни на планете. В термосфере температура резко повышается, достигая сотен и даже тысяч градусов. Верхние слои атмосферы Земли, термосфера и экзосфера, не обрываются резко, а продолжаются, пусть и неравномерно, в глубины космоса, где они приводят к относительно быстрому снижению орбиты любых спутников или объектов, вращающихся на высотах ниже примерно 600 км.
Другими словами, то, что мы обычно называем «вакуумом космоса», является хорошим вакуумом только по сравнению с чрезвычайно плотными условиями, которые мы наблюдаем здесь, на Земле: в обычных твердых телах, жидкостях и газах.
Газовые облака и атмосфера Луны сопоставимы с лучшими вакуумными системами, которые мы проектируем и используем здесь, на Земле, но в каждом кубическом метре их объема все равно содержатся миллиарды или даже триллионы частиц.
Межпланетное и межзвездное пространство еще более разрежено, но в среднем в нем все еще находятся миллионы частиц на кубический метр, причем в самых горячих и разреженных областях межзвездной среды их количество достигает сотен и тысяч частиц на кубический метр.
Только в самых глубоких недрах межгалактического пространства мы достигаем средней космической плотности: 1 частица на кубический метр (или, в больших пустотах, доля частицы на кубический метр).
Только в таких условиях мы приближаемся к идеальному представлению о том, каким на самом деле должно быть «пустое пространство».
С нашего места в Млечном Пути нам потребовалось бы путешествие в миллионы световых лет, чтобы достичь его, что показывает, как далеко нам еще предстоит пройти, если мы когда-либо надеемся измерить такую среду напрямую.
Часто задаваемые вопросы:
Насколько пустым является космос по сравнению с Землей?
Космос невероятно разрежен по сравнению с любыми условиями на нашей планете.
Даже лучшие вакуумные камеры на Земле содержат больше частиц, чем межзвездное пространство.
Плотность материи в космосе может быть в триллионы раз ниже, чем у земного воздуха.
Это делает космический вакуум уникальной средой для изучения фундаментальной физики.
Что такое межзвездная среда и из чего она состоит?
Межзвездная среда представляет собой вещество, заполняющее пространство между звездами в галактике.
Она состоит преимущественно из газа, в основном водорода, и космической пыли.
Плотность этой среды варьируется от нескольких частиц до миллионов атомов на кубический метр.
Именно в уплотненных областях межзвездной среды рождаются новые звезды и планетные системы.
Почему протопланетные диски считаются плотными областями?
Протопланетные диски образуются вокруг молодых звезд из остатков газового облака.
В них происходит концентрация тяжелых элементов, необходимых для формирования планет.
Плотность в таких дисках может достигать значений, сравнимых с искусственными вакуумами на Земле.
Это высокая плотность по космическим меркам позволяет материи слипаться и образовывать твердые тела.
Что находится в космических пустотах Вселенной?
Космические пустоты — это огромные регионы между галактическими нитями и скоплениями.
Долгое время считалось, что они практически полностью лишены материи и галактик.
Современные данные показывают наличие там разреженного газа и темной материи.
Плотность в пустотах составляет около половины от средней плотности Вселенной.
Как измеряют плотность материи в глубоком космосе?
Ученые используют анализ света от далеких источников и гравитационное линзирование.
Изучение поглощения света позволяет определить количество атомов на пути луча.
Гравитационные эффекты помогают выявить наличие скрытой массы в разреженных регионах.
Эти методы дают точные данные о распределении материи в масштабах всей Вселенной.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
