Как найти дорогу в космосе

На этот вопрос даст ответ Пол М. Саттер – астрофизик из Университета штата Огайо, ведущий программ “Спроси космонавта” и “Космическое радио”, а также автор книги “Ваше место во Вселенной”.

Пространство большое – действительно большое. И если вы хотите успешно перемещаться в межзвёздных глубинах нашей галактики Млечный Путь, то вам понадобится надёжная система навигации. В недавнем исследовании была предпринята попытка сделать такую систему, как можно более простой, используя пары звёзд.

В нашей Солнечной системе, когда мы отправляем радиосигнал космическому аппарату, и он отвечает, мы можем использовать задержку ответа для расчёта расстояния. Мы также можем отслеживать космический аппарат в небе, и, объединив всю эту информацию (положение в небе и расстояние от Земли), мы можем точно определить местоположение зонда в Солнечной системе и передать эту информацию самому космическому аппарату.

Мы также можем использовать доплеровский сдвиг, чтобы оценить скорость, с которой космический корабль удаляется от Земли. Используя тарелки, разбросанные по нашей планете, мы можем измерить задержку сигнала космического корабля, достигающего одной тарелки, по сравнению с другой. Когда мы объединяем эти данные с информацией о местоположении, мы получаем все шесть координат для космического аппарата: его три измерения положения и три измерения скорости.

Этот метод основан на сети наземных радиолокационных систем, постоянно поддерживающих связь с космическим аппаратом. Этот метод работает для зондов, находящихся в пределах Солнечной системы, но, едва ли, сработает для зондов “Вояджер” (НАСА).

Однако, любые межзвёздные миссии потребуют нового подхода: они должны будут перемещаться автономно. В принципе, эти космические корабли могут использовать бортовые системы, такие как часы и гироскопы, но межзвёздные миссии продлятся как минимум десятилетия, а крошечные ошибки и неопределённости в этих бортовых системах, несомненно, заставят космический корабль сбиться с курса.

Также есть возможность использовать пульсары, вращающиеся объекты, которые мерцают или пульсируют через равные промежутки времени. Поскольку каждый пульсар имеет уникальный период вращения, эти объекты могут служить надёжными маяками для миссий в дальний космос. Но это работает только в относительно небольшом пузыре около нашей Солнечной системы, потому что измерения периода вращения могут быть искажены межзвёздной пылью, и как только вы потеряете хотя бы один пульсар из виду, вы заблудитесь.

Вторая звезда

Поэтому межзвёздным космическим кораблям нужен простой и надёжный метод оценки их положения в галактике. В новом документе, недавно опубликованном на сервере препринтов arXivOrg, предлагается такое решение: сами звёзды.

Техника основана на очень старой концепции: параллакс. Если вы вытяните руку и посмотрите сначала правым, а потом левым глазом на свой палец, то будет казаться, что он переместился. Изменение его видимого положения происходит из-за изменения точки зрения. Если вы выполните то же упражнение, глядя на удалённый объект, будет казаться, что этот объект будет изменять своё положение.

Именно с помощью параллакса учёные впервые смогли измерить расстояние до звёзд, и именно с помощью параллакса космический корабль, блуждающий вдали от дома, сможет ориентироваться. Перед запуском мы загрузим в космический корабль точную карту всех известных звёзд в окрестностях нашей галактики. Затем, когда аппарат удалится от Солнечной системы, он измерит относительные расстояния между несколькими парами звёзд. По мере движения звёзды, расположенные ближе к космическому кораблю, значительно сместятся, в то время как более далёкие звёзды останутся относительно неподвижными.

Наблюдая за несколькими парами звёзд и сравнивая измерения с исходным каталогом, космический аппарат сможет определить как далеко он находится от этих звёзд, что даст ему его точное трёхмерное положение в галактике.

Относительный эффект

Получить скорость космического корабля немного сложнее, и это объясняется одной очень странной особенностью специальной теории относительности. Из-за конечности скорости света , если вы двигаетесь достаточно быстро, объекты могут оказаться не в тех местах, в которых они находятся на самом деле. В частности, положение объекта будет казаться смещённым в направлении вашего движения. Эффект называется аберрацией, и его можно измерить с Земли: когда наша планета вращается вокруг Солнца, кажется, что звёзды мягко раскачиваются взад и вперёд в небе.

Пока космический корабль движется достаточно быстро (а если мы хотим, чтобы межзвёздная миссия длилась десятилетия, а не тысячелетия, это должно быть так), бортовые системы смогут измерить эту аберрацию. Отметив, какие звёзды смещены от ожидаемого положения и на сколько, космический корабль сможет рассчитать свою скорость.

Таким образом, космический аппарат сможет определить свои полные координаты и понять, где он находится и куда движется.

Насколько точна эта техника? Согласно статье, если космический аппарат сможет измерить положение всего 20 звёзд с точностью до 1 угловой секунды, то он сможет определить своё положение в галактике с точностью до 3 астрономических единиц (а.е.) и свою скорость с точностью до 2 километров в секунду. Звучит много, но это мелочь по сравнению с тысячами а.е. между звёздами.

У нас есть точные координаты более чем 20 звёзд, если быть точными – сотни миллионов звёзд, поэтому космический корабль сможет определять своё местоположение с ещё большей точностью.

Теперь все, что нам нужно, – это межзвёздный космический корабль.

Как не заблудиться в космосе?

Римский философ Сенека сказал: «Если человек не знает, куда он плывет, то для него нет попутного ветра». В самом деле, какая нам польза от двигателей, маховиков или соленоидов, если мы не знаем положения аппарата в пространстве? Этот рассказ о приборах, которые позволяют нам не заблудиться в космосе.

Технический прогресс сделал системы ориентации небольшими, дешевыми и доступными. Сейчас даже студенческий микроспутник может похвастаться системой ориентации, о которой пионеры космонавтики могли только мечтать. Ограниченность возможностей порождала остроумные решения.

Асимметричный ответ: никакой ориентации

Первые спутники и даже межпланетные станции летали неориентированными. Передача данных на Землю велась по радиоканалу, и несколько антенн, чтобы спутник был на связи при любом положении и любых кувырканиях, весили гораздо меньше, чем система ориентации. Даже первые межпланетные станции летали неориентированными:

Луна-2, первая станция, достигшая поверхности Луны. Четыре антенны по бокам обеспечивают связь при любом положении относительно Земли

Даже сегодня иногда бывает проще покрыть всю поверхность спутника солнечными батареями и поставить несколько антенн, нежели создавать систему ориентации. Тем более, что некоторые задачи нетребовательны к ориентации — например, фиксировать космические лучи можно в любом положении спутника.

Достоинства:

• Максимальная простота и надежность. Отсутствующая система ориентации не может сломаться.

Недостатки:

• Годится сейчас, в основном, для микроспутников, решающих сравнительно простые задачи. «Серьезным» спутникам без системы ориентации уже не обойтись.

Солнечный датчик

Фотоэлементы к середине XX века стали вещью привычной и освоенной, поэтому нет ничего удивительного, что они отправились в космос. Очевидным маяком для таких датчиков стало Солнце. Его яркий свет попадал на фоточувствительный элемент и позволял определять направление:

Различные схемы работы современных солнечных датчиков, внизу находится фоточувствительная матрица

Еще один вариант конструкции, здесь матрица изогнута

Современные солнечные датчики

Достоинства:

• Простота.
• Дешевизна.
• Чем выше орбита, тем меньше участок тени, и тем дольше может работать датчик.
• Точность примерно одна угловая минута.

Недостатки:

• Ориентация только по одной оси.
• Не работают в тени Земли или другого небесного тела.
• Могут быть подвержены помехам от Земли, Луны и т.п.

Всего одна ось, по которой могут стабилизировать аппарат солнечные датчики, не мешает их активному использованию. Во-первых, солнечный датчик можно дополнить другими сенсорами. Во-вторых, у космических аппаратов с солнечными батареями солнечный датчик позволяет легко организовать режим закрутки на Солнце, когда аппарат вращается направленный на него, и солнечные батареи работают в максимально комфортных условиях.
Космические корабли «Восток» остроумно использовали солнечный датчик — ось на Солнце использовалась при построении ориентации для торможения корабля. Также, солнечные датчики были крайне востребованы на межпланетных станциях, потому что многие другие типы датчиков не могут работать вне земной орбиты.
Благодаря простоте и дешевизне солнечные датчики сейчас очень распространены в космической технике.

Инфракрасная вертикаль

Аппараты, которые летают по орбите Земли, часто нуждаются в определении местной вертикали — направления на центр Земли. Фотоэлементы видимого диапазона для этого подходят не очень — на ночной стороне Земля гораздо хуже освещена. Но, к счастью, в инфракрасном диапазоне теплая Земля светит практически одинаково на дневном и ночном полушариях. На низких орбитах датчики определяют положение горизонта, на высоких — сканируют пространство в поисках теплого круга Земли.
Конструктивно, как правило, инфракрасные построители вертикали содержат систему зеркал или сканирующее зеркало:

Инфракрасная вертикаль в сборке с маховиком. Блок предназначен для точной ориентации на Землю для геостационарных спутников. Хорошо видно сканирующее зеркало

Пример поля зрения инфракрасной вертикали. Черный круг — Земля

Отечественные инфракрасные вертикали производства ОАО «ВНИИЭМ»

Достоинства:

• Способны строить местную вертикаль на любом участке орбиты.
• Как правило, высокая надежность.
• Хорошая точность —

Недостатки:

• Ориентация только по одной оси.
• Для низких орбит нужны одни конструкции, для высоких — другие.
• Сравнительно большие габариты и вес.
• Только для орбиты Земли.

Тот факт, что ориентация строится только по одной оси, не мешает широкому использованию инфракрасных вертикалей. Они очень полезны для геостационарных спутников, которым необходимо нацеливать свои антенны на Землю. Также ИКВ используются в пилотируемой космонавтике, например, на современных модификациях корабля «Союз» ориентация на торможение производится только по ее данным:

Корабль «Союз». Дублированные датчики ИКВ показаны стрелками

Гироорбитант

Для того, чтобы выдать тормозной импульс, необходимо знать направление вектора орбитальной скорости. Солнечный датчик даст правильную ось примерно один раз в сутки. Для полетов космонавтов это нормально, в случае нештатной ситуации человек может вручную сориентировать корабль. Но корабли «Восток» имели «братьев-близнецов», разведывательные спутники «Зенит», которым тоже нужно было выдавать тормозной импульс, чтобы вернуть с орбиты отснятую пленку. Ограничения солнечного датчика были неприемлемы, поэтому пришлось придумывать что-то новое. Таким решением стал гироорбитант. Когда работает инфракрасная вертикаль, корабль вращается, потому что ось на Землю постоянно поворачивается. Направление орбитального движения известно, поэтому по тому, в какую сторону поворачивается корабль, можно определить его положение:

Например, если корабль постоянно кренится вправо, то мы летим правым боком вперед. А если корабль летит кормой вперед, то он будет постоянно поднимать нос вверх. С помощью гироскопа, который стремится сохранить свое положение, это вращение можно определить:

Чем сильнее отклонена стрелка, тем сильнее выражено вращение по этой оси. Три таких рамки позволяют замерить вращение по трем осям и развернуть корабль соответственно.
Гироорбитанты широко использовались в 60-80-х годах, но сейчас вымерли. Простые датчики угловых скоростей позволили эффективно измерять вращение аппарата, а бортовая ЭВМ без труда определит положение корабля по этим данным.

Ионный датчик

Красивой была идея дополнить инфракрасную вертикаль ионным датчиком. На низких земных орбитах попадаются молекулы атмосферы, которые могут быть ионами — нести электрический заряд. Поставив датчики, фиксирующие поток ионов, можно определить, какой стороной корабль летит вперед по орбите — там поток будет максимальным:

Научная аппаратура для измерения концентрации положительных ионов

Ионный датчик работал быстрее — на построение ориентации с гироорбитантом уходил почти целый виток, а ионный датчик был способен построить ориентацию за ~10 минут. К сожалению, в районе Южной Америки находится так называемая «ионная яма», которая делает работу ионного датчика нестабильной. По закону подлости именно в районе Южной Америки нашим кораблям надо строить ориентацию на торможение для посадки в районе Байконура. Ионные датчики стояли на первых «Союзах», но достаточно скоро от них отказались, и сейчас они нигде не используются.

Звездный датчик

Одной оси на Солнце часто бывает мало. Для навигации может быть нужен еще один яркий объект, направление на который вместе с осью на Солнце даст нужную ориентацию. Таким объектом стала звезда Канопус — она вторая по яркости в небе и находится далеко от Солнца. Первым аппаратом, который использовал звезду для ориентации, стал «Маринер-4», стартовавший к Марсу в 1964 году. Идея оказалась удачной, хотя звездный датчик выпил много крови ЦУПа — при построении ориентации он наводился не на те звезды, и приходилось «прыгать» по звездам несколько дней. После того, как датчик наконец навелся на Канопус, он стал постоянно его терять — летевший рядом с зондом мусор иногда ярко вспыхивал и перезапускал алгоритм поиска звезды.
Первые звездные датчики представляли собой фотоэлементы с небольшим полем зрения, которые умели наводиться только на одну яркую звезду. Несмотря на ограниченность возможностей, они активно использовались на межпланетных станциях. Сейчас технический прогресс, фактически, создал новый класс устройств. Современные звездные датчики используют матрицу фотоэлементов, работают в паре с компьютером с каталогом звезд и определяют ориентацию аппарата по тем звездам, которые видны в поле их зрения. Такие датчики не нуждаются в предварительном построении грубой ориентации другими приборами и способны определить положение аппарата вне зависимости от участка неба, в которое их направят.

Типичные звездные датчики

Чем больше поле зрения, тем проще ориентироваться

Иллюстрация работы датчика — по взаимному положению звезд по данным каталога рассчитывается направление взгляда

Достоинства:

• Максимальная точность, может быть меньше угловой секунды.
• Не нуждается в других приборах, может определить точное положение самостоятельно.
• Работают на любых орбитах.

Недостатки:

• Высокая цена.
• Не работают при быстром вращении аппарата.
• Чувствительны к засветке и помехам.

Сейчас звездные датчики используются там, где нужно знать положение аппарата очень точно — в телескопах и других научных спутниках.

Магнитометр

Сравнительно новым направлением является построение ориентации по магнитному полю Земли. Магнитометры для измерения магнитного поля часто ставились на межпланетные станции, но не использовались для построения ориентации.

Магнитное поле Земли позволяет строить ориентацию по всем трем осям

«Научный» магнитометр зондов «Пионер-10» и -11

Первый цифровой магнитометр. Эта модель появилась на станции «Мир» в 1998 г. и использовалась в посадочном модуле «Филы» зонда «Розетта»

Достоинства:

• Простота, дешевизна, надежность, компактность.
• Средняя точность, от угловых минут до нескольких угловых секунд.
• Можно строить ориентацию по всем трем осям.

Недостатки:

• Подвержен помехам в т.ч. и от оборудования космического аппарата.
• Не работает выше 10 000 км от Земли.

Простота и дешевизна магнитометров сделала их очень популярными в микроспутниках.

Гиростабилизированная платформа

Исторически, космические аппараты часто летали неориентированными или в режиме солнечной закрутки. Только в районе цели миссии они включали активные системы, строили ориентацию по трем осям и выполняли свою задачу. Но что, если нам необходимо поддерживать произвольную ориентацию длительное время? В этом случае нам надо «помнить» текущее положение и фиксировать свои повороты и маневры. А для этого человечество не придумало ничего лучше гироскопов (измеряют углы поворота) и акселерометров (измеряют линейные ускорения).
Гироскопы
Широко известно свойство гироскопа стремиться сохранить свое положение в пространстве:

Изначально гироскопы были только механическими. Но технический прогресс привел к появлению множества других типов.
Оптические гироскопы. Очень высокой точностью и отсутствием движущихся деталей отличаются оптические гироскопы — лазерные и оптоволоконные. В этом случае используется эффект Саньяка — фазовый сдвиг волн во вращающемся кольцевом интерферометре.

Лазерный гироскоп

Твердотельные волновые гироскопы. В этом случае измеряется прецессия стоячей волны резонирующего твердого тела. Не содержат движущихся частей и отличаются очень высокой точностью.

Вибрационные гироскопы. Используют для работы эффект Кориолиса — колебания одной части гироскопа при повороте отклоняют чувствительную часть:

Вибрационные гироскопы производятся в MEMS-исполнении, отличаются дешевизной и очень маленькими размерами при сравнительно неплохой точности. Именно эти гироскопы стоят в телефонах, квадрокоптерах и тому подобной технике. MEMS-гироскоп может работать и в космосе, и их ставят на микроспутники.

Размер и точность гироскопов наглядно:

Акселерометры
Конструктивно, акселерометры представляют собой весы — фиксированный груз меняет свой вес под воздействием ускорений, и датчик переводит этот вес в величину ускорения. Сейчас акселерометры кроме больших и дорогих версий обзавелись MEMS-аналогами:

Пример «большого» акселерометра

Микрофотография MEMS-акселерометра

Комбинация трех акселерометров и трех гироскопов позволяет фиксировать поворот и ускорение по всем трем осям. Такое устройство называется гиростабилизированной платформой. На заре космонавтики они были возможны только на карданном подвесе, были очень сложными и дорогими.

Гиростабилизированная платформа кораблей Apollo. Синий цилиндр на переднем плане — гироскоп. Видео испытаний платформы

Вершиной механических систем были бескарданные системы, когда платформа висела неподвижно в потоках газа. Это был хайтек, результат работы больших коллективов, очень дорогие и секретные устройства.

Сфера в центре — гиростабилизированная платформа. Система наведения МБР Peacekeeper

Ну а сейчас развитие электроники привело к тому, что платформа с пригодной для простых спутников точностью умещается на ладони, ее разрабатывают студенты, и даже публикуют исходный код.

Интересным нововведением стали MARG-платформы. В них данные с гироскопов и акселерометров дополняются магнитными датчиками, что позволяет исправлять накапливающуюся ошибку гироскопов. MARG-датчик, наверное, самый подходящий вариант для микроспутников — он маленький, простой, дешевый, не имеет движущихся частей, потребляет мало энергии, обеспечивает ориентацию по трем осям с коррекцией ошибок.
В «серьезных» системах для исправления ошибок ориентации гиростабилизированной платформы обычно используют звездные датчики.
Траекторную ошибку, как правило, исправляют системами радиоконтроля орбиты — антенны на Земле по сигналам с аппарата могут очень точно определить его положение и скорость. На низких орбитах для этого недавно появился дешевый аналог — GPS/ГЛОНАСС.

Дополнительные источники информации

Лекция «Проектирование системы ориентации и стабилизации».
Конспект «Датчики ориентации и исполнительные устройства».

По тегу «незаметные сложности» — публикации о ракетах-носителях, стартовых сооружениях, системах ориентации.

Об этом мы спросили ведущего научного сотрудника лаборатории внегалактической астрофизики и космологии Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук Дмитрия Макарова.

Дмитрий Игоревич, помните: в Тентуре, налево от Большой Медведицы… Правильный ли адрес землян в Галактике дал Георгий Данелия в фильме “Кин-дза-дза!”? А еще там наших пацаков упрекали за незнание порядкового номера Земли: “Номер твоей планеты, балда, любой планетарий за два чатла выдаст”.

Дмитрий Макаров: Сегодня этот номер известен каждому школьнику. Конечно, если он не ловил ворон на уроках. Земля – третья планета от Солнца. Ближе к светилу только Меркурий и Венера, а дальше Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Ну и Плутон, который недавно разжаловали из планет. Теперь он считается одним из самых крупных объектов пояса Койпера. Это область, в которой “обитают” кометы. Они состоят из камней и льда, и у них короткий период обращения – меньше 200 лет. Знаменитая комета Галлея родом оттуда, она посещает нас каждые 76 лет. Еще дальше облако Оорта. Здесь летают в пустоте обломки, не пригодившиеся для строительства Солнечной системы. Это облако поставляет нам кометы с периодом в тысячи лет. Например, комета Хейла-Боппа. Мы стали свидетелями ее пришествия в 1997 году. Яркая голова кометы с огромным, на полнеба светящимся хвостом запомнилась многим. Заметьте, никаких особенных бед с землянами не случилось, хотя астрологи и прочие колдуны чего только не сулили. Комета вернется через 4 тысячи лет, так что кто пропустил, тот пропустил. Вот, собственно, первые точки нашего космического адреса. Землю назовем условно квартирой. А Солнечную систему со всеми ее планетами, спутниками и кометами – улицей.

Тогда что мы назовем городом?

Дмитрий Макаров: Галактику Млечный Путь. На Руси ее называли Птичий путь или Гусиная дорога. Если хотите понять, как наша галактика выглядит со стороны, посмотрите на фотографии туманности Андромеды. Она очень похожа. Ее можно разглядеть на ночном небе даже невооруженным глазом, как светлое пятно. А в телескопе открывается поистине потрясающее зрелище – гигантский звездный диск с закручивающимися по спирали рукавами. В нем мириады солнц. Так вот наш Млечный Путь выглядит ничуть не хуже. В нем от 200 до 400 миллиардов светил.

Где мы в этом скопище звезд?

Дмитрий Макаров: В одном из рукавов спирали. Он называется рукав Ориона. Солнечная система находится не на самой периферии, но в провинции – точно. От нас до центра галактики порядка 27 тысяч световых лет (Световой год – расстояние, которое свет, движущийся со скоростью 300 000 км в секунду, проходит за год). Величины настолько запредельные, что человеку сложно их осознать. К ядру галактики концентрация звезд становится все выше и выше. Это прекрасный сверкающий огнями мегаполис, а в самом центре зияет сверхмассивная черная дыра. Яркая полоса из звезд на ночном небе, которую мы называем Млечный Путь, это ребро галактического диска. Если бы Солнце располагалось чуть выше плоскости диска, мы любовались бы галактической спиралью во всей ее красе вместе с рукавами и загадочным ядром. Но мы как бы в лесу, и у нас пока нет возможности над ним подняться. Центр галактики от нас скрыт, его закрывают темные облака космической пыли, и только инфракрасный свет “пробивается” через эти области. Пыль не позволяет нам разглядеть грандиозное зрелище: сияющий эллипсоид ядра с бесчисленным количеством звезд. Будь он виден, он занимал бы в небе площадь более ста лун. Впрочем, жалеть не о чем. Земля находится в спокойном месте. Тут сотни миллионов, а может, и миллиардов лет не было никаких масштабных катаклизмов. Иначе наша хрупкая жизнь не смогла бы зародиться.

А дальше какая строка в нашем космическом адресе?

Дмитрий Макаров: Местная группа галактик. В нее входят Млечный Путь, туманность Андромеды (М31), галактика Треугольника (М33) и их спутники. Спутники – тоже галактики, но карликовые, они вращаются вокруг больших. Представьте, вся Вселенная расширяется, а Местная группа держится вместе. Ее связывает единое гравитационное поле. Следующая иерархическая структура – сверхскопление Девы. Его протяженность порядка 200 миллионов световых лет. Это невообразимое расстояние. Сверхскопление содержит десятки тысяч галактик, в них сотни миллиардов звездных систем. И вот здесь мы, безусловно, на самой окраине. Галактики как жемчужины “нанизаны” на нити или волокна, между которыми бескрайние пустоты с очень низкой плотностью материи – войды. По сути, наша Вселенная – это огромные войды, переплетающиеся галактическими нитями.

Похоже на паутину?

Дмитрий Макаров: Похоже, но и это еще не самое большое образование. Сверхскопление Девы является частью галактической структуры Ланиакеа. С гавайского языка это слово переводится как “небеса необъятные” в честь полинезийских мореходов, которые ориентировались по звездам в Тихом океане. Эта структура диаметром 520 миллионов световых лет содержит гигантское количество галактик. Продолжив наши ассоциации, Ланиакею можно назвать страной. Если вы скажете: “Я живу в Ланиакее”, то ничуть не погрешите против истины. Астрономы определили наше место в ней, и да, мы и здесь умудрились угнездиться на периферии.

В Ланиакее астрономы обнаружили поразительное явление. Внутри нее скопления галактик куда-то движутся. По большому счету, они, конечно, разлетаются, но гравитация формирует частные космические течения, и мы их наблюдаем. Астрономы долго не могли понять, почему существуют эти потоки. Что стягивает звезды нашей части Вселенной?

Наша планета со скоростью 600 километров в секунду “падает” к Великому Аттрактору

Гравитационную аномалию назвали Великим Аттрактором. Область, куда “падают” миры, закрыта от нас пылью. Ее окрестности – неспокойное место, там “живут” древние галактики, которые то и дело сталкиваются. Раньше ученые предполагали, что галактическое течение вызвано чем-то, что лежит далеко позади Аттрактора. Возможно, что за ним скрывается невероятное количество темной материи. Но сегодня считается, что Аттрактор – это колоссальная концентрация галактик, поэтому она и действует как гравитационная яма.

Земля тоже движется к Великому Аттрактору?

Дмитрий Макаров: Конечно. Все, что есть в Ланиакее, “падает” к Великому Аттрактору. В том числе и наша маленькая Земля. Причем с достаточно высокой скоростью – около 600 километров секунду. Но расстояния во Вселенной так велики, что в запасе у землян миллиарды и миллиарды лет.

Где же место человека в грандиозной Вселенной?

Дмитрий Макаров: Наш космический адрес определен достаточно точно. Планета Земля, Солнечная система, рукав Ориона, галактика Млечный путь, Местная группа галактик, сверхскопление Девы, Ланиакеа. Мы живем в иерархической Вселенной, и таких структур, как Ланиакеа, в космосе много. Где заканчивается эта колоссальная иерархия и заканчивается ли она, неизвестно.

Но удивительно даже не то, что мы так малы, а то, что мы способны это осознавать.

Читайте еще

Чем занимается специальная астрофизическая обсерватория РАН, можно узнать на ее сайте www.sao.ru.

В космосе не могут работать понятия север, юг, запад и восток, т.к. у них привязка к Земле. Верха и низа тоже как бы нет, а если ориентирами брать какие-то космические тела, то они ведь тоже находятся в постоянном движении, причем с разной скоростью! Думаю, точно так же, как и моряки ориентируются в море, к примеру. Ну образно говоря – небесные тела в космосе это отличный и универсальный ориентир. Именно по звездам вполне себе реально ориентироваться в космосе! Так же и планеты, у планет же всегда практически один маршрут. Действительно, определить где юг, север или запад в космосе невозможно, это возможно сделать лишь на Земле. По этому и ищут другие альтернативные ориентиры. Звезды – отличный вариант! система выбрала этот ответ лучшим Кусин­ька [169K] 8 месяцев назад  На космическом корабле множество различных систем навигации и датчиков. Одни ориентируют по Солнцу, звездам, Луне и Земле. Другие применяют ионы, магнитное поле нашей планеты и гравитационное. Гироскопы тоже работают, а еще ориентация идет и по разным спектрам. Есть ориентация и по осям, по одной или по трем сразу. А еще и остронаправленная антенна ловит сигналы. Поэтому в космосе ориентация идет по всем доступным ориентирам, чтобы не отклоняться при любых видах работ или направлениях. Ну и связь с Землей тоже есть, а у нас – с космосом и с космическими кораблями, так что помощь, если что, в ориентировании может прийти и “из дома”. Sanch­001 [5.6K] более года назад  ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀­⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ В космосе нет таких понятий как “верх” и “низ”. ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀­⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ Если астронавты не зацепиться за какой-либо определённый объект, то они на международной космической станции будут парить в окружающем пространстве. Косманавты-новички сразу же потеряются в пространстве. ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀­⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ Такими ориентировочными предметами в космосе становятся планеты и звёзды. От них и отталкиваются космонавты. ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀­⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ Бывалые космо-путешественники очень хорошо знают географию галактики и спокойно в ней ориентируются. ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀­⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀ lilil­oveme [5.2K] 1 неделю назад  В космосе ориентируются в пространстве с помощью системы навигации, которая использует звезды, солнце, планеты и другие небесные тела в качестве ориентиров. Например, на борту космических кораблей и спутников используются гироскопы, акселерометры, магнитометры. Также, спутники и космические аппараты могут использовать радиосвязь и GPS для определения своего местоположения. G1111­1 [92.7K] 4 месяца назад  Ориентирование в пространстве возможно везде, где есть вариант привязки к чему ни будь. Если отвечать “по дилетантски”, то бортовые системы навигации рассчитывают траекторию полета относительно изменений положения космического аппарата от небесных светил. Так же при расчетах используются гироскоп, акселерометр, радиолокационное оборудование. Стандартное ориентирование в космосе – по звёздам. Ось мира это направление на полярную звезду, ну а дальше склонение-восхождение по звездному атласу. Привязываются и к планетам и солнцу. Зная время всегда можно пересчитать координаты в звездные. Алекс­ей Курен­ков [-12] 5 лет назад  Самые сообразительные из вас наверняка уже догадались, что в пространстве корабли ориентируются, подобно древним морякам, а именно – по звездам. Действительно, положение относительно звезд позволяет кораблю не только построить правильную траекторию, но и поддерживать должную ориентацию, что, к примеру, очень важно для космических телескопов, работающих далеко за околоземной орбитой. Однако, ученые уже долгое время разрабатывают иной способ ориентировании в космическом пространстве. В этом способе также участвуют звезды, только не обычные, а самые настоящие пульсары. Такое название имеют крайне далекие нейтронные звезды, вращающиеся очень быстро, и в следствие этого, дающие отчетливый сигнал в радиодиапазоне, повторяющийся с точностью атомных часов. Ориентирование относительно нескольких десятков наиболее ярких пульсаров может стать действительно эффективным, даже при дальних межзвездных космических полетах. В данный момент, системы ориентирования по пульсарам разрабатываются многими учеными мира и через несколько лет их могут начать устанавливать на наиболее амбициозные космические корабли, которым предстоит совершать межпланетные полеты. Знаете ответ?

Гравитация может не только притягивать, но и отталкивать — как вам такое заявление? Причем не в какой-нибудь новой математической теории, а на самом деле — Большой Отталкиватель, как его назвала группа ученых, ответственен за половину скорости, с которой наша Галактика движется в космосе. Звучит фантастически, не так ли? Давайте разбираться.

Во-первых,
давайте оглянемся по сторонам и
познакомимся с нашими соседями во
Вселенной. За последние несколько
десятков лет мы узнали очень многое, и
слово «космография» сегодня — это не
термин из фантастических романов
Стругацких, а один из разделов современной
астрофизики, занимающийся составлением
карт доступной нам части Вселенной.
Ближайшая соседка нашего Млечного Пути
— это галактика Андромеда, которую
можно увидеть на ночном небе и невооруженным
глазом. А вот разглядеть еще несколько
десятков компаньонов не получится —
карликовые
галактики, которые вращаются вокруг
нас и Андромеды, очень тусклые, и
астрофизики до сих по не уверены, что
нашли
их все. Тем не менее, все эти галактики
(в том числе и не открытые), а также
галактика
Треугольника и галактика NGC
300 входят в Местную
группу галактик. Сейчас в Местной
группе 54 известных галактики, большая
часть из которых — это уже упоминавшиеся
тусклые карликовые галактики, и ее
размеры превышают 10 миллионов световых
лет. Местная группа вместе с еще примерно
100 скоплениями галактик входит в сверхскопление
Девы, размерами больше
110 миллионов световых
лет.

В 2014 году группа астрофизиков под
руководством Брента Талли из Гавайского
университета выяснила, что само это
сверхскопление, состоящее из 30 тысяч
галактик, является составной частью
еще большей
структуры — сверхскопления
Ланиакея, в котором содержится уже более 100 тысяч
галактик. Осталось сделать последний
шаг — Ланиакея вместе со сверхскоплением
Персея-Рыб входит в комплекс сверхскоплений
Рыб-Кита, которое одновременно является
галактической нитью, то есть составной
частью крупномасштабной
структуры Вселенной.

Наблюдения
и компьютерные симуляции подтверждают,
что галактики и скопления не хаотически
разбросаны во Вселенной, а составляют
сложную губкообразную структуру, где
есть филаменты-нити,
узлы и пустоты, также известные как
войды.
Вселенная, как почти сто лет назад
показал Эдвин Хаббл, расширяется, и
сверхскопления — это самые крупные
образования, которые удерживаются
гравитацией от разбегания. То есть, если
упростить, то филаменты разбегаются
друг от друга из-за воздействия темной
энергии, а движение объектов внутри них
в большей степени обусловлено силами
гравитационного притяжения.

И
теперь, зная, что вокруг нас столько
галактик и скоплений, которые притягивают
друг друга так сильно, что даже перебарывают
расширение Вселенной, пора задать
ключевой вопрос: а куда все
это летит? Именно
на него и пытается ответить группа
ученых вместе с Иегуди Хоффманом из
Еврейского университета в Иерусалиме
и уже упоминавшимся Брентом
Талли. Их совместная статья,
вышедшая в Nature,
основана на данных проекта Cosmicflows-2,
который измерил расстояния и скорости
более 8000 близлежащих галактик. Этот
проект был запущен в 2013 году все тем же
Брентом Талли вместе с коллегами, в том
числе Игорем
Караченцевым, одним из самых
высокоцитируемых российских
астрофизиков-наблюдателей.

Трехмерную
карту локальной Вселенной (с русским
переводом), составленную
учеными, можно
посмотреть на этом
видео.

Итак,
куда все это летит? Для ответа нужна
точная карта скоростей для всех массивных
тел в ближней части Вселенной. К сожалению,
для ее построения данных Cosmicflows-2
недостаточно — несмотря на то, что это
лучшее, что есть у человечества, они
неполны, неоднородны по качеству и имеют
большие погрешности. Профессор Хоффман
применил к известным данным винеровское
оценивание — пришедший из радиоэлектроники статистический прием
отделения полезного сигнала от шума. Это
оценивание позволяет ввести основную
модель поведения системы (в нашем случае
— это Стандартная космологическая
модель), которая будет определять общее
поведение всех элементов в отсутствие
дополнительных сигналов. То есть движение
конкретной галактики будет определяться
общими положениями Стандартной модели,
если для нее данных недостаточно, и
данными измерений, если таковые есть.

Полученные
результаты подтвердили то,
что нам уже было известно
— вся Местная группа галактик летит
в космосе в сторону
Великого
аттрактора, гравитационной
аномалии в центре Ланиакеи. И сам Великий
аттрактор, несмотря на название, не
такой уж и великий — его притягивает
намного более массивное сверхскопление
Шэпли, к которому
мы и направляемся со
скоростью 660 километров в секунду. Проблемы начались,
когда астрофизики решили сравнить
измеренную скорость Местной группы с
расчетной, которая выводится из массы
сверхскопления Шэпли. Оказалось, что
несмотря на колоссальную массу (10 тысяч
масс нашей Галактики), оно не могло бы
разогнать нас до такой скорости. Более
того, построив карту анти-скоростей
(карту векторов, которые направлены в
сторону, обратную векторам скоростей),
ученые нашли область, которая как будто
отталкивает нас от себя. Причем расположена
она ровно на противоположной стороне
от сверхскопления Шэпли и отталкивает
именно с той скоростью, чтобы в сумме
дать искомые 660 километров в секунду.

Вся
притягивательно-отталкивающая конструкция
напоминает формой электрический
диполь, в котором силовые линии идут
от одного заряда к другому.

Но
ведь это противоречит всей физике,
которую мы знаем — антигравитации быть
не может! Что же это за чудо такое? Для
ответа давайте представим, что вас
окружили и тянут в разные стороны пятеро
друзей — если они это делают с одинаковой
силой, то вы останетесь на месте, как
будто вас никто не тянет. Однако, если
один из них, стоящий справа, вас отпустит,
то вы будете смещаться влево — в
противоположную от него сторону. Точно
так же вы будете смещаться влево, если
к пяти тянущим друзьям присоединится
шестой, который встанет справа и начнет
не тянуть вас, а толкать.

Во
Вселенной роль тянущих на себя друзей
играют галактики и скопления галактик.
Если бы они были равномерно распределены
по Вселенной, то мы никуда бы не двигались
— они тянули бы нас с одинаковой силой в
разные стороны. А теперь представьте,
что с одной стороны от нас никаких
галактик нет. Поскольку все остальные
галактики остались на месте, то мы будем
удаляться от этой пустоты, как будто
она нас отталкивает. Именно это и
происходит с областью, которую ученые
окрестили Великим Отталкивателем, или
Великим Репеллером — несколько кубических
мегапарсек пространства необычайно
бедно заселены галактиками и не могут компенсировать гравитационное
притяжение, которое оказывают на нас
все эти скопления и сверхскопления с
остальных сторон. Насколько именно это
пространство бедно галактиками— еще
предстоит выяснить. Дело в том, что Великий Репеллер очень неудачно
расположен — он находится в

(да, в астрофизике очень
много красивых непонятных названий), то есть
области пространства, закрытой от нас
нашей собственной галактикой, Млечным
Путем.

Огромное количество звезд и
туманностей, а в особенности газ и пыль
мешают свету от далеких галактик,
расположенных по ту сторону галактического
диска, долетать до нас. Лишь недавние
наблюдения рентгеновскими и
радиотелескопами, которые могут
регистрировать излучение, свободно
проходящее сквозь газ и пыль, позволили
составить более-менее полный список
галактик в зоне избегания. В области
Великого Отталкивателя действительно
оказалось очень мало галактик, так что,
похоже, что это кандидат на звание войда
— гигантской пустой области космической
структуры Вселенной.

В заключение надо сказать, что как бы ни была высока скорость нашего полета сквозь космос, достичь ни Аттрактора Шэпли, ни Великого Аттрактора нам не удастся, — по расчетам ученых, это займет время, в тысячи раз превышающее возраст Вселенной, так что какой бы точной ни становилась наука космография, ее карты еще долго не будут полезными любителям путешествий.

Марат Мусин