Як астронавти визначають своє місце та час у космосі

В закладки
Аудио
Художнє уявлення прольоту зонда New Horizons повз Юпітер

Північ, Південь, Схід та Захід — це основні географічні напрямки (сторони світу), які визначаються магнітним полем нашої планети. Але без цих магнітних полей планети у космосі, як вчені можуть визначати напрямок поза атмосферою Землі? Для того, щоб відповісти на це запитання, важливо зрозуміти, що поділ на сторони світу, це виключно випадковий винахід людства, який не містить реального наукового змісту. Власне, сторони світу існують лише для того, щоб зробити наше життя простішим, коли ми намагаємося рухатися крізь простір у якому ми всі живемо. Ви можете завтра змінити назви сторін світу (так, щоб Північ стала Півднем та навпаки) і, за винятком лише небагатьох збентежених людей, ми не будемо мати жодних несприятливих наслідків — на закони науки це не матиме будь-якого негативного впливу.

Однак, головне запитання, як методи, які ми використовуємо щоб знаходити напрямок у космосі (так, ми дійсно використовуємо терміни Північна та Південна Півкуля для нашого Всесвіту, галактики, сонячної системи) пов’язані із географічними напрямками, які ми використовуємо на Землі. Звідки взагалі походять географічні напрямки або сторони світу?

Походження сучасної системи географічних координат

У цьому розділі я не буду вдаватися до пояснення походження назв Північ, Південь, Схід за Захід (до того ж існує безліч перекладів цих слів у різних мовах). Замість цього, я збираюся поговорити одразу про поняття сторін світу у тому відношенні, як ми це розуміємо сьогодні.

Скрізь всю свою історію людство знало незліченну кількість видів орієнтування карт. Більшість із них були край егоцентричні (або «етноцентричні«). По суті, це означає, що у кожній культурі найбільш важлива частина карти знаходилась у найбільш важливому її місці. Приклад цього можна побачити на древніх картах Едо із Японії (від перекл.: Едо — стара назва сучасної столиці Токіо), на яких Імператорський палац знаходився згори та по центру карти. На багатьох середньовічних картах Схід (зокрема Єрусалим) розміщували згори через його релігійне значення. Окрім цього, у деяких культурах також було прийнято розміщувати Схід згори, так як саме там сходило Сонце. На картах, які створювались у прибережних містах, вгорі карти часто зображалось море, на жаль, пояснень цьому я знайти так і не зміг (але причиною цього, можливо, був зв’язок із торгівлею та певними устоями).

Історична карта світу, 1570. Джерело

Поширення «Північно-орієнтованих» доверху карт бере свій початок із двох аспектів Європейського життя. Розповсюдження використання компасу між 11-им та 14-им століттями, на мою думку, дало найбільший внесок у поширення Європейских Північно-орієнтованих карт. Магнітна Північ давала мандрівникам нордовий (від перекл.: або північний) напрямок, тому карти були пристосовані так, щоб Північ розміщувалась зверху. Окрім цього, у Північній Півкулі, небеса, здавалось, обертались навколо Полярної зірки, тому це також сприяло змінам. І нарешті, картографи розміщували Британську Імперію (Європейську частину) згори карт для того щоб продемонструвати свою могутність над іншим світом (це і є та сама ідея егоцентричності або етноцентричності). Ріст та збільшення Британської Імперії, в остаточному підсумку, змушувало змінювати саме орієнтування світу.

Цікавий факт

Термін «орієнтація» (англ.: orientation) географічної карти бере свій початок із Середньовічної Європи, коли Orient (від. перекл.: з англ. Orient — Схід, історична назва регіону, що включає в себе країни Близького, Середнього та Далекого Сходу) розміщувався зверху карти.

Цей спосіб зображати на картах Північ зверху, в остаточному підсумку, був «обраний» людством як єдиний вірний, і цей спосіб, насправді, істотно не змінився з того часу, як був вперше усталений. Коли ми вперше почали створювати моделі нашої Сонячної системи, ми її розділили вздовж екваторіальної вісі Сонця і те, куди була спрямована Північна півкуля Землі, також назвали «Північною півкулею» Сонячної системи (так у Сонячній системі були визначені Північні півкулі для більшості планет, Сонця, багатьох супутників, карликових планет тощо). Таким чином ми визначили і Південну півкулю. У подібний спосіб, ці підходи були застосовані для визначення півкуль галактик, Всесвіту і багато чому іншому, чому ми хотіли присвоювати поняття півкуль. Все це походить із того, як Європейскі картографи почали це робити у пізньому Середньовіччі.

Навігація по Сонячній системі

Тепер, коли ми визначили напрямки у космосі, як нам їх найкраще використати? Коли космічний корабель знаходиться далеко, і Земля здається не більшою за маленьку крапку у просторі, зонд не може озирнутися на нас для того, щоб зорієнтувати себе у просторі. Має існувати інше вирішення цієї проблеми.

Зонди використовують декілька різних інструментів для того, щоб знайти шлях у величезному просторі космосу. Всі (безпілотні) міжпланетні апарати керуються з Землі, тому нижчеописані пункти виконуються із наземних станцій, які керують місією.

По-перше, науковцям необхідно знати де зараз знаходиться апарат та яка його швидкість. Тут у гру вступає Мережа далекого космічного зв’язку (англ. Deep Space Network, DSN). Це мережа із трьох радіо антен, які розташовані по всьому світу так, щоб відстань між ними дозволяла покривати все небо. Сигнали, які отримує та надсилає зонд, досліджуються на факт найменших змін у їх частотах. Аналізуючи ці зміни, а також часові проміжки між прийомом та передачею, науковці здатні визначити місцезнаходження та швидкість зонда із неймовірною точністю. Насправді, ми здатні виміряти швидкість зонда у зоні «прямої видимості» в межах 0.05 міліметри за секунду, а його місцезнаходження — в межах трьох метрів. Це в значній мірі точніше ніж спідометр у вашому автомобілі та ваш GPS (звичайно в залежності від того, який саме GPS ви використовуєте). І не забувайте, що ми говоримо про апарати, які часто знаходяться за тисячі, мільйони або мільярди кілометрів.

Траєкторія польоту Кассіні. Джерело

По друге, нам потрібна точна модель Сонячної системи із якою ми могли б працювати. Одними із найбільших помічників для космічних апаратів є планети. Ми використовуємо гравітаційні маневри весь час. Гравітаційний маневр використовує енергію гравітаційних полів небесних тіл (зазвичай планет або великих супутників) для зміни траєкторії та швидкості космічного корабля. Крім того, всі наші нинішні місії у далекий космос є міжпланетними, тобто місце їх призначення знаходиться всередині сонячної системи. Якщо ми не будемо знати де знаходяться наші цілі, ми не зможемо відправити до них апарат.

По-третє, нам потрібне точне розуміння орбітальної динаміки. Це дозволить нам планувати місії (так як час подорожі апарату до його цілі може становити багато років, ці місії часто плануються за багато часу наперед із врахуванням руху планет), та дозволить нам вносити зміни до траєкторії польоту зонда на його шляху до місця призначення.

Міжзоряна навігація

Загалом, всі наші космічні зонди орієнтують себе у просторі по відношенню до нашої сонячної системи, але що відбудеться, коли настане час і наша Сонячна система стане сущою краплиною у темряві космосу? Нам все ще буде необхідно знати місцезнаходження та швидкість нашого корабля.

В такому випадку, ми, швидше за все, використаємо щось на зразок мережі далекого космічного зв’язку (Voyager 2, поки що єдиний міжзоряний апарат, використовує мережу далекого космічного зв’язку, тому вчені знають, де він знаходиться та яка його швидкість). Нам також буде потрібна точна модель нашої Сонячної системи (щоб допомогти космічному апарату покинути її), але також нам знадобиться точна модель руху зірок, до яких ми відправимось, так само як точна модель (або можливість її швидко розробити) нашої кінцевої планетної системи. Обидві ці умови є можливими із використанням сучасних технологій, тож у цьому напрямку нам не потрібні будуть значні удосконалення. Зрештою, наша вже існуюча модель орбітальної механіки, може бути застосована до будь-якої іншої планетарної системи, де ми можемо опинитись. До поки нам відомо, закони фізики є універсальними — принаймні вони витримують перевірку на цих «незначних» масштабах.

Уявлення художника про навігацію космічних зондів на основі рентгенівського випромінювання пульсарів. Характерні часові сигнатури нейтронних зірок, які швидко обертаються, мають потужне магнітне поле та називаються пульсарами, використовуються як природні навігаційні маяки для визначення місцезнаходження та швидкості космічного корабля. Джерело

Нарешті, нам необхідно буде розробити точну зоряну карту. В нас є дуже детальна карта неба, яким воно видніється з Землі або нашої Сонячної системи. Ми можемо оцінити як небо буде виглядати з різних кутів та перспектив, проте це також вимагає дуже точної карти із актуальним місцезнаходженням зірок (у нас є непогані уявлення про розміщення зірок у Чумацькому Шляху, особливо тих, що знаходяться поруч із нами, але часто вона мають багато неточностей та є неприйнятними для навігації. Наша перша міжзоряна місія, скоріш за все, буде мати на меті аналіз зоряного неба та складання його карти.

У висновку

Всі наші напрямки мають виключно Земне походження, та беруть свій початок від картографів часів Британської Імперії. Загальноприйняті напрямки Північ, Південь, Схід та Захід, скоріш за все, не зміняться, але будуть значно покращені та уточнені використанням географічних градусів. Ми продовжимо використовувати мережі далекого космічного зв’язку у якості GPS систем для Сонячної системи, а зірки, як колись давно, будуть слугувати нашими навігаційними маяками коли ми почнемо подорожувати за межі Сонячної системи. В решті решт, саме точність наших карт та моделей це те що дозволяло нашим космічним кораблям у минулому, теперішньому та дозволить у майбутньому знаходити свій шлях крізь безмежну пустоту космосу.

Джерело

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

12
Войдите, чтобы видеть ещё 8 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.