Vesmír

Vesmír

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, jak je stanovena radiací pozadí z Velkého třesku , je 2,7 kelvinů (-270,45 ° C; -454,81 ° F).Plazma mezi galaxiemi tvoří asi polovinu baryonic (obyčejné) hmoty ve vesmíru; má hustotu čísel menší než jeden atom vodíku na metr krychlový a teplotu milionů kelvinů. Místní koncentrace hmoty kondenzovaly do hvězd a galaxií . Studie naznačují, že 90% hmoty ve většině galaxií je v neznámé formě zvané temná hmota , která interaguje s jinou hmotou prostřednictvím gravitačních, ale ne elektromagnetických sil .Pozorování naznačují, že většinu masové energie ve pozorovatelném vesmíru tvoří temná energie , což je typ vakuové energie, který není dobře pochopen. Mezigalaktický prostor zabírá většinu objemu vesmíru , ale i galaxie a hvězdné systémy se skládají téměř výhradně z prázdného prostoru.

Vesmír nezačíná v určité nadmořské výšce nad zemským povrchem. Kármán linka , nadmořská výška 100 km (62 mi) nad mořem, se běžně používá jako start vnějšího prostoru v prostoru smluv a pro letecké a kosmické vedení evidence. Rámec pro mezinárodní vesmírné právo stanovila Smlouva o vesmíru , která vstoupila v platnost 10. října 1967. Tato smlouva vylučuje jakékoli nároky na národní suverenitu a umožňuje všem státům svobodně prozkoumávat vesmír . Přes vypracování rezolucí OSN pro mírové využití vesmíru byly na oběžné dráze Země testovány protisatelitní zbraně .

Lidé zahájili fyzický průzkum vesmíru v průběhu 20. století s příchodem balónů ve vysokých nadmořských výškách . Toto bylo následováno crewed raketových letů a tedy posádkou na oběžné dráze Země , nejprve dosažených Jurije Gagarina na Sovětském svazu v roce 1961. Vzhledem k vysokým nákladům na dostat do prostoru, lidské kosmické lety byla omezena na nízkou oběžnou dráhu Země a Měsíce . Na druhou stranu, posádka bez posádky dosáhla všech známých planet ve sluneční soustavě .

Vesmír představuje náročné prostředí pro lidský průzkum z důvodu nebezpečí vakua a záření . Mikrogravitace má také negativní vliv na lidskou fyziologii, která způsobuje atrofii svalů i úbytek kostní hmoty . Kromě těchto problémů se zdravím a životním prostředím jsou ekonomické náklady na umístění předmětů, včetně lidí, do vesmíru velmi vysoké.

Rozhraní mezi zemským povrchem a vesmírem. Je zobrazena linka Kármán ve výšce 100 km (62 mi). Vrstvy atmosféry jsou nakresleny v měřítku, zatímco objekty v nich, jako například Mezinárodní vesmírná stanice , nikoli.

Vznik a stav

Toto je umělcovo pojetí metrické expanze prostoru , kde objem vesmíru je v každém časovém intervalu reprezentován kruhovými úseky. Vlevo je znázorněna rychlá inflace z počátečního stavu, po které následuje stabilnější expanze do současnosti, znázorněná vpravo.Hlavní článek: Velký třesk

Podle teorie velkého třesku byl velmi raný vesmír extrémně horký a hustý stav asi před 13,8 miliardami let který se rychle rozšířil . Asi o 380 000 let později se vesmír dostatečně ochladil, aby umožnil protonům a elektronům spojit se a vytvořit vodík - tzv. Rekombinační epocha . Když k tomu došlo, hmota a energie se oddělily a umožnily fotonům volně cestovat neustále se rozšiřujícím prostorem. Hmota, která zůstala po počáteční expanzi, prošla od té doby gravitačním kolapsem a vytvořila hvězdy , galaxie a další astronomické objekty., zanechávající hluboké vakuum, které tvoří to, co se nyní nazývá vesmír.Protože světlo má konečnou rychlost, tato teorie také omezuje velikost přímo pozorovatelného vesmíru. Toto ponechává otevřenou otázku, zda je vesmír konečný nebo nekonečný.

Dnešní tvar vesmíru byl určen z měření kosmického mikrovlnného pozadí pomocí satelitů, jako je Wilkinsonova mikrovlnná anizotropická sonda . Tato pozorování naznačují, že prostorová geometrie pozorovatelného vesmíru je " plochá ", což znamená, že fotony na paralelních drahách v jednom bodě zůstávají rovnoběžné, když cestují vesmírem až k hranici pozorovatelného vesmíru, s výjimkou místní gravitace. Plochý vesmír ve spojení s měřenou hustotou vesmíru a zrychlující se expanzí vesmíru naznačuje, že vesmír má nenulovou vakuovou energii , která se nazývátemná energie .

Odhady uvádějí průměrnou hustotu energie dnešního vesmíru na ekvivalentu 5,9 protonů na metr krychlový, včetně temné energie, temné hmoty a baryonické hmoty (obyčejná hmota složená z atomů). Atomy tvoří pouze 4,6% z celkové hustoty energie neboli hustoty jednoho protonu na čtyři metry krychlové.Hustota vesmíru zjevně není jednotná; pohybuje se od relativně vysoké hustoty v galaxiích - včetně velmi vysoké hustoty ve strukturách uvnitř galaxií, jako jsou planety, hvězdy a černé díry - po podmínky v obrovských 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: i když temná energie může představovat většinu masové energie ve vesmíru, vliv temné energie je o 5 řádů menší než vliv gravitace z hmoty a temná hmota v Mléčné dráze.

Prostředí

Viz také: Planetární obyvatelnost Část Hubbleova ultrahlubokého pole zobrazující typickou část vesmíru obsahující galaxie rozptýlené hlubokým vakuem. S ohledem na omezenou rychlost světla , tento pohled pokrývá past 13 miliard let z historie vesmíru.

Vesmír je nejbližší známá aproximace dokonalému vakuu . Nemá fakticky žádné tření , což umožňuje hvězdám, planetám a měsícům volně se pohybovat po svých ideálních drahách po počáteční fázi formování . Hluboké vakuum mezigalaktického prostoru není zbaveno 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 elektromagnetické zářenímohou 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 , kterým je absorpce a rozptyl fotonů prachem a plynem, důležitým faktorem v galaktické a intergalaktické astronomii .

Hvězdy, planety a měsíce si zachovávají svoji atmosféru gravitační přitažlivostí. Atmosféry nemají jasně stanovenou horní hranici: hustota atmosférického plynu postupně klesá se vzdáleností od objektu, až se stane nerozeznatelnou od vesmíru. Atmosférický tlak Země klesá na asi 0,032 Pa ve 100 kilometrech nadmořské výšky ve srovnání se 100 000 Pa pro definici standardního tlaku podle Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii (IUPAC) . Nad touto nadmořskou výškou se izotropní tlak plynu rychle stává nevýznamným ve srovnání s radiačním tlakem zSun a dynamický tlak ze slunečního větru . Termosféra v tomto rozmezí má velké gradienty tlaku, teploty a složení, a značně liší v důsledku počasí prostoru .

Teplota vesmíru se měří z hlediska kinetické aktivity plynu, jak je tomu na Zemi. Záření vesmíru má jinou teplotu než kinetickou teplotu 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 velmi pravděpodobné, odpovídajícím způsobem velké množství neutrin volaly kosmického neutrin pozadí . ) Stávající černé tělesoteplota záření pozadí je asi 3 K (-270 ° C ; -454 ° F ). Teploty plynů ve vesmíru se mohou velmi lišit. Například teplota v mlhovině Boomerang je 1 K zatímco sluneční korona dosahuje teplot přes 1,2-2,6 milionu K.

Magnetická pole byla detekována v prostoru kolem téměř každé třídy nebeského objektu. 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 . To bylo použito k prokázání, že uspořádané magnetické pole existuje v několika blízkých galaxiích. Magneto-hydrodynamické procesy v aktivních eliptických galaxiích vytvářejí charakteristické proudy a rádiové laloky . Netepelnérádiové zdroje byly detekovány i mezi nejvzdálenějšími zdroji s vysokým z , což naznačuje přítomnost magnetických polí.

Mimo ochrannou atmosféru a magnetické pole existuje několik překážek pro průchod energetických subatomárních částic známých jako kosmické paprsky. Tyto částice mají energie v rozmezí od přibližně 10 6 eV do extrémních 10 20 eV ultravysokoenergetických kosmických paprsků .Vrcholový tok kosmických paprsků nastává při energiích přibližně 10 9 eV, s přibližně 87% protonů, 12% jader helia a 1% těžších jader. Ve vysokém energetickém rozsahu je tok elektronů jen asi 1% toku protonů. Kosmické záření může poškodit elektronické součástky a představovat zdravotní riziko pro cestující ve vesmíru. Podle astronautů, jako je Don Pettit , má vesmír spálený / kovový zápach, který se drží jejich obleků a vybavení, podobně jako vůněhořákupro obloukové svařování .

Vliv na biologii a lidská těla

Viz také: Astrobiologie , Astrobotany , rostliny v prostoru , zvířata v prostoru , Vliv kosmického letu na lidském těle , Bioastronautics a beztíže Kvůli nebezpečí vakua musí astronauti nosit přetlakový skafandr, když jsou mimo Zemi a mimo svou kosmickou loď.

Navzdory drsnému prostředí bylo nalezeno několik forem života, které vydrží extrémní vesmírné podmínky po delší dobu. Druhy lišejníků přepravované v zařízení ESA BIOPAN přežily v roce 2007 expozici po dobu deseti dnů. Semena Arabidopsis thaliana a Nicotiana tabacum vyklíčila poté, co byla 1,5 roku vystavena vesmíru. Kmen bacillus subtilis přežil 559 dní, když byl vystaven oběžné dráze nízké Země nebo simulovanému marťanskému prostředí. lithopanspermiahypotéza naznačuje, že horniny vyvržené do vesmíru z planet nesoucích život mohou úspěšně přenášet formy života do jiného obyvatelného světa. Domníváme se, že právě takový scénář nastal na počátku historie sluneční soustavy, kdy mezi Venuší, Zemí a Marsem došlo k výměně hornin nesoucích mikroorganismy .

I v relativně nízkých nadmořských výškách v zemské atmosféře jsou podmínky vůči lidskému tělu nepřátelské. Nadmořská výška, kde atmosférický tlak odpovídá tlaku 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 mil). Na nebo nad Armstrongovou linií se tekutiny v krku a plicích vaří. Přesněji řečeno, odkryté tělesné tekutiny, jako jsou sliny, slzy a tekutiny v plicích, se vaří. Proto v této výšce vyžaduje lidské přežití tlakový oblek nebo tlakovou kapsli.

Náhlé vystavení nechráněného člověka velmi nízkému tlaku , například při rychlé dekompresi, může ve vesmíru způsobit plicní barotrauma - prasknutí plic kvůli velkému tlakovému rozdílu uvnitř a vně hrudníku. I když jsou dýchací cesty subjektu zcela otevřené, může být proudění vzduchu průdušnicí příliš pomalé, aby se zabránilo prasknutí. Rychlá dekomprese může prasknout ušní bubínky a dutiny, v měkkých tkáních může dojít k modřinám a prosakování krve a šok může způsobit zvýšení spotřeby kyslíku, které vede k hypoxii .

V důsledku rychlé dekomprese se kyslík rozpuštěný v krvi vyprazdňuje do plic, aby se pokusil vyrovnat parciální tlakový gradient. Jakmile odkysličená krev dorazí do mozku, lidé po několika sekundách ztratí vědomí a během několika minut zemřou na hypoxii. Krev a jiné tělesné tekutiny se vaří, když tlak poklesne pod 6,3 kPa, a tento stav se nazývá ebullismus . Pára může nafouknout tělo na dvojnásobek jeho normální velikosti a zpomalit oběh, ale tkáně jsou dostatečně elastické a porézní, aby zabránily prasknutí. Ebullismus 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), elastický oděv navržený v šedesátých letech pro astronauty, zabraňuje ebullismu při tlacích pouhých 2 kPa. Dodatečný kyslík je potřebný ve vzdálenosti 8 km (5 mi), aby zajistil dostatek kyslíku pro dýchání a zabránil ztrátě vody, zatímco tlakové oděvy nad 20 km (12 mi) jsou nezbytné, aby se zabránilo ebullismu. Většina kosmických obleků 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 může stále způsobit dekompresní nemoci a plynové embolie, pokud nebudou zvládnuty.

Lidé se vyvinuli pro život v gravitaci Země a bylo prokázáno, že expozice beztíže má škodlivé účinky na lidské zdraví. Zpočátku více než 50% astronautů pociťuje vesmírnou kinetózu . To může způsobit nevolnost a zvracení , vertigo , bolesti hlavy, letargii a celkovou nevolnost. Délka 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 kostry nebo osteopenii vesmírných letů. Tyto účinky lze minimalizovat režimem cvičení. Mezi další účinky patří redistribuce tekutin, zpomalení kardiovaskulárního systému , snížená tvorba červených krvinek , poruchy rovnováhy a oslabení imunitního systému . Mezi menší příznaky patří ztráta tělesné hmotnosti, ucpání nosu, poruchy spánku a otoky obličeje.

Během dlouhodobého cestování vesmírem může záření představovat akutní zdravotní riziko . Vystavení vysokoenergetickým ionizujícím kosmickým paprskům může mít za následek únavu, nevolnost, zvracení, poškození imunitního systému a změny počtu bílých krvinek . Mezi příznaky delšího trvání patří zvýšené riziko rakoviny a poškození očí , nervového systému , plic a gastrointestinálního traktu . Při misi na jednosměrný let na Mars, která trvala tři roky, by velká část buněk v těle astronauta prošla a mohla by být poškozena jádry o vysoké energii. Energie těchto částic je významně snížena stíněním poskytovaným stěnami kosmické lodi a může být dále snížena vodními nádržemi a jinými překážkami. Dopad kosmického záření na stínění produkuje další záření, které může mít vliv na posádku. K posouzení radiačních rizik a stanovení vhodných protiopatření je zapotřebí dalšího výzkumu.

Regiony

Vesmír je částečné vakuum: jeho různé oblasti jsou definovány různými atmosférami a "větry", které v nich dominují, a sahají až k bodu, ve kterém tyto větry ustupují těm za nimi. Geoprostor se rozprostírá od zemské atmosféry k vnějšímu toku zemského magnetického pole, načež ustupuje slunečnímu větru meziplanetárního prostoru. Meziplanetární prostor sahá až k heliopauze, načež sluneční vítr ustupuje větrům mezihvězdného média . Mezihvězdný prostor pak pokračuje až k okrajům galaxie, kde mizí v mezigalaktické prázdnotě.

Geoprostor

Aurora australis pozorovaná z raketoplánu Discovery na STS-39 , květen 1991 (oběžná výška: 260 km)

Geoprostor je oblast vesmíru poblíž Země, včetně horní atmosféry a magnetosféry .Van Allen radiační pásy leží uvnitř Geospace. Vnější hranicí geoprostoru je magnetopauza , která tvoří rozhraní mezi zemskou magnetosférou a slunečním větrem. Vnitřní hranicí je ionosféra .Proměnlivé vesmírně-povětrnostní podmínky geoprostoru jsou ovlivňovány chováním Slunce a slunečního větru; předmět geoprostoru je propojen s heliofyzikou - studium Slunce a jeho dopadu na planety sluneční soustavy.

Denní magnetopauza je stlačena tlakem slunečního větru - subolární vzdálenost od středu Země je obvykle 10 poloměrů Země. Na noční straně protahuje sluneční vítr magnetosféru a vytváří magnetický ocas, který se někdy rozprostírá na více než 100-200 poloměrů Země. Zhruba čtyři dny každého měsíce je měsíční povrch chráněn před slunečním větrem, když Měsíc prochází magnetickým ocasem.

Geoprostor je osídlen elektricky nabitými částicemi o velmi nízké hustotě, jejichž pohyby jsou řízeny magnetickým polem Země . Tato plazma tvoří médium, ze kterého mohou bouřkovité poruchy poháněné slunečním větrem 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, zasahovat do krátkovlnné rádiové komunikace a polohy a načasování GPS . Magnetické bouře mohou být pro astronauty také nebezpečím, a to i na nízké oběžné dráze Země. Vytvářejí také polární zářevidět 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 zbytky materiálu z předchozích startů s posádkou a bez posádky, které představují potenciální nebezpečí pro kosmické lodě. Některé z těchto trosek pravidelně znovu vstupují do zemské atmosféry.

Cislunar space

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

Gravitace Země udržuje Měsíc na oběžné dráze v průměrné vzdálenosti 384 403 km (238 857 mil). Oblast mimo zemskou atmosféru a rozšiřující se těsně za oběžnou dráhu Měsíce , včetně Lagrangeových bodů , se někdy označuje jako cislunární prostor .

Oblast, kde gravitace Země zůstává dominantní proti gravitačním poruchám ze Slunce, se nazývá sféra Hill . Toto sahá do translunárního prostoru do vzdálenosti zhruba 1% střední vzdálenosti od Země ke Slunci neboli 1,5 milionu km (0,93 milionu mi).

Hluboký vesmír je definován vládou Spojených států a dalšími jako jakýkoli region mimo cislunární vesmír. Mezinárodní telekomunikační unie zodpovědný za radiové komunikace (včetně družic) definuje začátek kosmickém prostoru na asi 5 krát, že vzdálenost (2 × 10 6 km ).

Meziplanetární prostor

Hlavní článek: Meziplanetární médium Řídká plazma (modrá) a prach (bílá) v ocasu komety Hale - Bopp jsou formovány tlakem slunečního záření a slunečního větru.

Meziplanetární prostor je definován slunečním větrem, nepřetržitým proudem nabitých částic vycházejících ze Slunce, který vytváří velmi jemnou atmosféru ( heliosféru ) po 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 sahá až k heliopauze, kde začíná dominovat vliv galaktického prostředí nad magnetickým polem a tokem částic ze Slunce. Vzdálenost a síla heliopauzy se liší v závislosti na úrovni aktivity slunečního větru.Heliopause zase odvádí pryč nízkoenergetické galaktické kosmické paprsky, přičemž tento modulační efekt vrcholí během slunečního maxima.

Objem meziplanetárního prostoru je téměř úplné vakuum, se střední volnou cestou asi jedné astronomické jednotky v orbitální vzdálenosti Země. Tento prostor není úplně prázdný a je řídce vyplněn kosmickými paprsky, které zahrnují ionizovaná atomová jádra a různé subatomární částice. Existuje 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 zodiakální 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 táhne ven za planetu. Tato magnetická pole mohou zachytávat částice ze slunečního větru a jiných zdrojů a vytvářet pásy nabitých částic, jako jsou Van Allenovy radiační pásy. Planety bez magnetických polí, jako je Mars, mají své atmosféry postupně erodované slunečním větrem.

Mezihvězdný prostor

Hlavní článek: mezihvězdné médium"Mezihvězdný prostor" přeadresuje tady. U alba viz Interstellar Space . Příbojový šok vytvořený magnetosférou mladé hvězdy LL Orionis (uprostřed) při srážce s tokem mlhoviny v Orionu

Mezihvězdný prostor je fyzický prostor v galaxii nad vlivem každé hvězdy na obklopenou plazmu.Obsah mezihvězdného prostoru se nazývá mezihvězdné médium. Přibližně 70% hmotnosti mezihvězdného média tvoří osamělé atomy vodíku; většina ze zbytku se skládá z atomů helia. To je obohaceno o stopová množství těžších atomů vytvořených hvězdnou nukleosyntézou . Tyto atomy jsou vymrštěny do mezihvězdného média hvězdnými větry nebo když se vyvíjené hvězdy začnou zbavovat svých vnějších obalů, například během formování planetární mlhoviny .Kataklyzmatická exploze supernovy vyvolává expanzirázová vlna sestávající z vyvržených materiálů, které dále obohacují médium. Hustota hmoty v mezihvězdném prostředí se může značně lišit: průměr se pohybuje kolem 10 6 částic na m 3,ale studené molekulární mraky mohou pojmout 10 8 -10 12 na m 3 .V mezihvězdném prostoru existuje řada molekul , stejně jako malé 0,1 μm prachové částice. Soupis molekul objevených radioastronomií se neustále zvyšuje rychlostí přibližně čtyř nových druhů ročně. Velké oblasti hmoty s vyšší hustotou známé jako molekulární mraky umožňují chemické reakce, včetně tvorby organických polyatomických druhů. Velká část této chemie je způsobena kolizemi. Energetické kosmické paprsky pronikají chladnými, hustými mraky a ionizují vodík a hélium, což vede například k trihydrogenovému kationtu . Ionizovaný atom hélia pak může štěpit relativně hojný oxid uhelnatýk výrobě ionizovaného uhlíku, což může vést k organickým chemickým reakcím.

Místní mezihvězdné médium je oblast vesmíru ve vzdálenosti 100 parseků (pc) od Slunce, což je zajímavé jak pro jeho blízkost, tak pro jeho interakci se sluneční soustavou. Tento objem se téměř shoduje s oblastí vesmíru známou jako Místní bublina , která se vyznačuje nedostatkem hustých chladných 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 hranici této dutiny se pohybuje od 60 do 250 kusů nebo více.) Tento svazek obsahuje přibližně 10 4 -10 5hvězdy a místní mezihvězdný plyn vyvažují astrosféry, které obklopují tyto hvězdy, přičemž objem každé koule se mění 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 výboje z luku . Po celá desetiletí se předpokládalo, že Slunce mělo šok z luku. V roce 2012 údaje ze sond Interstellar Boundary Explorer (IBEX) a NASA Voyager ukázaly, že šok z luku Slunce neexistuje. Tito autoři místo toho tvrdí, že podzvuková vlna luku definuje přechod od toku slunečního větru k mezihvězdnému médiu. Šok z luku je třetí hranicí astrosféry po terminačním šoku a astropauze (tzv. Heliopause ve sluneční soustavě).

Mezigalaktický prostor

Distribuce hmoty v kubické části vesmíru. Struktury modrých vláken představují hmotu a prázdné oblasti mezi nimi představují kosmické dutiny mezigalaktického média. Hvězda region -forming ve Velkém Magellanově mračnu , snad nejblíže Galaxy do zemské GalaxiiHlavní články: Teplé - horké mezigalaktické médium , Intraclusterové médium a Mezigalaktický prach

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

V okolí a táhnoucí se mezi galaxiemi je vzácná plazma která je uspořádána do struktury galaktického vlákna . Tento materiál se nazývá intergalaktické 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. Jak plyn padá do mezigalaktického média z dutin, ohřívá se na teploty 10 5 K až 10 7 K, což je dostatečně vysoké, aby srážky mezi atomy měly dostatek energie na to, aby vázané elektrony unikly z vodíkových jader; 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 "teplá".) Počítačové simulace a pozorování naznačují, že v tomto horkém, zředěném stavu může existovat až polovina atomové hmoty ve vesmíru. .Když plyn padá z vláknitých struktur rozmar do galaktických kup na průsečících kosmických vláken, může se zahřívat ještě, dosahující teploty 10 8 K a výše v nastolené volalamédium uvnitř seskupení (ICM).

Oběžná dráha Země

Hlavní článek: Geocentrická oběžná dráha

Kosmická loď vstoupí na oběžnou dráhu, když její dostředivé zrychlení v důsledku gravitace je menší nebo rovno odstředivému zrychlení kvůli horizontální složce její rychlosti. Pro nízkou oběžnou dráhu Země je tato rychlost asi 7 800 m / s (28 100 km / h; 17 400 mph); Naproti tomu nejrychlejší pilotovaná rychlost letounu, jaká kdy byla dosažena (s výjimkou rychlostí dosažených deorbitací kosmické lodi), byla v roce 1967 severoamerickým modelem X-15 2 200 m / s (7 900 km / h; 4 900 mph) .

K dosažení oběžné dráhy musí kosmická loď cestovat rychleji než suborbitální vesmírný let . Energie potřebná k dosažení orbitální rychlosti Země ve výšce 600 km (370 mi) je přibližně 36 MJ / kg, což je šestkrát více energie, než je potřeba k vylézání do odpovídající výšky. Kosmické lodě s perigeem pod asi 2 000 km (1 200 mil) jsou vystaveny odporu ze zemské atmosféry, což snižuje orbitální výšku. Rychlost orbitálního úpadku závisí na průřezové ploše a hmotnosti satelitu, jakož i na změnách hustoty vzduchu v horní atmosféře. Pod asi 300 km (190 mi) se rozpad zrychluje s délkou života měřenou ve dnech. Jakmile satelit klesne na 180 km (110 mi), zbývá mu jen několik hodin, než se odpaří v atmosféře. kosmická rychlost musí vytáhnout bez gravitačního pole Země úplně a pohyb do meziplanetárního prostoru je asi 11,200 m / s (40300 km / h; 25100mph).

Hranice

Na hranici vesmíru viz pozorovatelný vesmír . SpaceShipOne dokončil první lidský soukromý vesmírný let v roce 2004 a dosáhl výšky 100,12 km (62,21 mil).

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

• 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 v nadmořské výšce asi 100 km (62 mi), jak vypočítal Theodore von Kármán , by vozidlo muselo cestovat rychleji než orbitální rychlost, aby odvodilo dostatečný aerodynamický vztlak z atmosféry, aby se uživilo.
• USA označují za astronauty lidi, kteří cestují nad nadmořskou výškou 80 km .
• Raketoplán NASA použil jako svou nadmořskou výšku pro návrat (nazvanou Entry Interface) 400 000 stop (122 km, 76 mi) , což zhruba označuje hranici, kde je patrný atmosférický odpor , a tak zahájil proces přechodu z řízení pomocí trysek na manévrování s aerodynamickými ovládacími plochami.

V roce 2009 vědci ohlásili podrobná měření pomocí Supra-Thermal Ion Imager (nástroj, který měří směr a rychlost iontů), který jim umožňoval stanovit hranici ve vzdálenosti 118 km (73,3 mil) nad Zemí. Hranice představuje střed postupného přechodu po desítky kilometrů od relativně mírných větrů zemské atmosféry k prudším proudům nabitých částic ve vesmíru, které mohou dosáhnout rychlosti i přes 268 m / s (600 mph).

Právní status

Hlavní článek: Zákon o vesmíru 2008 odpálení rakety SM-3 použité ke zničení amerického průzkumného satelitu USA-193

Smlouva o kosmickém prostoru poskytuje základní rámec pro mezinárodní vesmírné právo. Pokrývá legální využití vesmíru národními státy a do své definice vesmíru zahrnuje Měsíc a další nebeská tělesa. Smlouva stanoví, že vesmír je volně prozkoumatelný všemi národními státy a nepodléhá nárokům národní suverenity , přičemž vesmír označuje za "provincii celého lidstva". Tento status jako společné dědictví lidstva byl použit, i když ne bez odporu, k prosazování práva na přístup a sdílené využívání vesmíru pro všechny národy stejně, zejména pro jiné než vesmírné země. Rovněž zakazuje vývoj jaderných zbraníve vesmíru. Smlouva byla přijata Valným shromážděním OSN v roce 1963 a podepsána v roce 1967 SSSR, Spojenými státy americkými a Spojeným královstvím. Do roku 2017 smlouvu ratifikovalo nebo k ní přistoupilo 105 státních stran. Smlouvu podepsalo dalších 25 států, aniž by ji ratifikovaly.

Od roku 1958 byl vesmír předmětem několika rezolucí OSN. Z nich více než 50 se týkalo mezinárodní spolupráce při mírovém využívání vesmíru a předcházení závodům ve zbrojení ve vesmíru.Výbor OSN pro mírové využití vesmíru vyjednal a připravil čtyři další smlouvy o vesmírném právu . Přesto stále neexistuje žádný právní zákaz rozmisťování konvenčních zbraní ve vesmíru a protisatelitní zbraně byly úspěšně testovány USA, SSSR, Čínou a v roce 2019 Indií. Měsíční smlouva z roku 1979 předal jurisdikci všech nebeských těles (včetně oběžných drah kolem těchto těles) mezinárodnímu společenství. Smlouva nebyla ratifikována žádným národem, který v současné době provádí lidské vesmírné lety.

V roce 1976 se v kolumbijské Bogotě setkalo osm rovníkových států ( Ekvádor , Kolumbie , Brazílie , Kongo , Zair , Uganda , Keňa a Indonésie ) . Svým "Deklarací prvního setkání rovníkových zemí" nebo "Bogotskou deklarací" získali kontrolu nad segmentem geosynchronní orbitální dráhy odpovídající každé zemi. Tato tvrzení nejsou mezinárodně přijímána.

Objev, průzkum a aplikace

Viz také: Vesmírná věda

Objev

V roce 350 př . N. L. Řecký filozof Aristoteles navrhl, aby příroda porušila vakuum , což je princip, který se stal známým jako horror vakui . Tento koncept vycházel z ontologického argumentu BCE z 5. století řeckého filozofa Parmenidesa , který popřel možnou existenci prázdnoty ve vesmíru. Na základě této myšlenky, že vakuum nemůže existovat, se na Západě po mnoho staletí široce konalo, že prostor nemůže být prázdný. Ještě v 17. století francouzský filozof René Descartes tvrdil, že je třeba zaplnit celý prostor.

Ve starověké Číně se astronom 2. století Zhang Heng přesvědčil, že vesmír musí být nekonečný a musí přesahovat rámec mechanismu, který podporoval Slunce a hvězdy. Přežívající knihy školy Hsüan Yeh říkaly, že nebesa jsou neomezená, "prázdná a bez obsahu". Podobně "slunce, měsíc a společnost hvězd se vznáší 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 demonstroval, že ustavená síla odolávala vzniku vakua. Jeho žákovi Evangelista Torricelli by v roce 1643 zůstalo, aby vytvořil aparát, který by vytvořil částečné vakuum. Výsledkem tohoto experimentu byl první rtuťový barometr a vytvořil vědeckou senzaci v Evropě. Francouzský matematik Blaise Pascal usoudil, že pokud kolona rtuti byla podepřena vzduchem, pak by kolona měla být kratší ve vyšších nadmořských výškách, kde je tlak vzduchu nižší.V roce 1648 experiment zopakoval jeho švagr Florin PérierHora Puy de Dôme ve střední Francii a zjistila, že kolona byla kratší o tři palce. Tento pokles tlaku byl dále demonstrován vynášením poloplného balónu na horu a sledováním jeho postupného rozpínání a následného smršťování při sestupu.

Originální magdeburské hemisféry (vlevo dole) ukázaly vakuovou pumpu Otta von Guericke (vpravo)

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

Již v 15. století německý teolog Nicolaus Cusanus spekuloval, že vesmíru chybí střed a obvod. Věřil, že i když není vesmír nekonečný, nemůže být považován za konečný, protože postrádá hranice, v nichž by mohl být obsažen. Tyto myšlenky vedly ke spekulacím o nekonečné dimenzi prostoru italským filozofem Giordanem Brunem v 16. století. Koperníkovu heliocentrickou kosmologii rozšířil na koncept nekonečného vesmíru naplněného látkou, kterou nazval éter , která nebránila pohybu nebeských těles. Anglický filozof William Gilbertdospěl k podobnému závěru a 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.

Koncept vesmíru naplněného světelným éterem si u některých vědců udržel podporu až do počátku 20. století. Tato forma éteru byla považována za médium, kterým se světlo mohlo šířit. V roce 1887 se pokus Michelson - Morley pokusil detekovat pohyb Země skrz toto médium hledáním změn rychlosti světla v závislosti na směru pohybu planety. Výsledek null uvedeno něco není s konceptem špatné. Myšlenka na éter luminiferous byla poté opuštěna. To bylo nahrazeno teorií speciální relativity Alberta Einsteina, který si myslí, že rychlost světla ve vakuu je pevná konstanta, nezávislá na pohybu pozorovatele nebo na referenčním rámci .

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 k blízké hvězdě v roce 1838 německým astronomem Friedrichem Bessel . Ukázal, že hvězdný systém 61 Cygni měl paralaxu pouhých 0,31 arcsekundy (ve srovnání s moderní hodnotou 0,287 palce). To odpovídá vzdálenosti přes 10 světelných let . V roce 1917, Heber Curtis poznamenat, že novve spirálních mlhovinách bylo v průměru o 10 velikostí slabších než v galaktických novách, což naznačuje, že první jsou 100krát dále. Vzdálenost k galaxii Andromeda byla stanovena v roce 1923 americkým astronomem Edwinem Hubbleem měřením jasnosti proměnných cefeidů v této galaxii, což je nová technika objevená Henrietou Leavittovou .Tím bylo zjištěno, že galaxie Andromeda a v širším smyslu všechny galaxie ležely dobře mimo Mléčnou dráhu .

Moderní koncept vesmíru je založen na kosmologii "Velkého třesku" , kterou poprvé navrhl v roce 1931 belgický fyzik Georges Lemaître .Tato teorie tvrdí, že vesmír vznikl z velmi husté formy, která od té doby prošla nepřetržitou expanzí .

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

Termín vnější prostor použil v roce 1842 anglická poetka Lady Emmeline Stuart-Wortleyová ve své básni "Dívka z Moskvy".Výraz kosmický prostor použil jako astronomický termín Alexander von Humboldt v roce 1845. Později byl popularizován ve spisech HG Wellse v roce 1901. Kratší termín prostor je starší, nejprve se tím míní oblast mimo pozemské obloze v John Milton 's Paradise Lost v 1667.

Průzkum a aplikace

Hlavní články: Průzkum vesmíru a přítomnost člověka ve vesmíruViz také: Astronautika , vesmírný let , výhody průzkumu vesmíru , pozorování Země , komercializace vesmíru , lidský vesmírný let a vesmírné bydlení První snímek pořízený člověkem celé Země, pravděpodobně vyfotografovaný Williamem Andersem z Apolla 8 .Jih je nahoře; Jižní Amerika je uprostřed.

Po většinu lidských dějin byl vesmír zkoumán pozorováním provedeným ze zemského povrchu - nejprve pouhým okem a poté dalekohledem. Před spolehlivou raketovou technologií bylo člověku nejblíže dosáhnout vesmíru pomocí letů balónem. V roce 1935 dosáhl let balónem s posádkou US Explorer II výšky 22 km. Toto bylo výrazně překročeno v roce 1942, kdy se třetí start německé rakety A-4 vyšplhal do výšky asi 80 km (50 mi). V roce 1957 vypálila ruská raketa R-7 neosazený satelit Sputnik 1 , který dosáhl oběžné dráhy Země ve výšce 215-939 kilometrů (134-583 mi). Poté následoval první lidský vesmírný let v roce 1961, kdy byl na oběžnou dráhu na Vostoku 1 vyslán Jurij Gagarin . Prvními lidmi, kteří unikli z oběžné dráhy Země, byli Frank Borman , Jim Lovell a William Anders v roce 1968 na palubě amerického Apolla 8 , který dosáhl měsíční oběžné dráhy a dosáhl maximální vzdálenosti 377 349 km (234 474 mi) od Země.

První kosmickou lodí, která dosáhla únikové rychlosti, byla sovětská Luna 1 , která provedla průlet Měsíce v roce 1959. V roce 1961 se Venera 1 stala první planetární sondou. Odhalila přítomnost slunečního větru a provedla první průlet kolem Venuše , i když před dosažením Venuše došlo ke ztrátě kontaktu. První úspěšnou planetární misí byl průlet Venuše v roce 1962 Mariner 2 .První přelet Marsu provedl Mariner 4 v roce 1964. Od té doby bezpilotní kosmická loď úspěšně prozkoumala každou planetu sluneční soustavy, stejně jako její měsíce a mnoho menších planet.a komety. Zůstávají základním nástrojem pro průzkum vesmíru, jakož i pro pozorování Země. V srpnu 2012 se Voyager 1 stal prvním člověkem vytvořeným 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 . Svědčí o tom velkolepé snímky poslané zpět Hubblovým kosmickým dalekohledem , které umožňují pozorovat světlo z doby před více než 13 miliardami let - téměř do doby Velkého třesku.Ne každé místo ve vesmíru je ideální pro dalekohled. Meziplanetární zvířetníkový prach vyzařuje difúzní blízké infračervené záření, které mohou maskovat emise slabých zdrojů, jako exoplanet. Přesunutí infračerveného dalekohledu za prach zvyšuje jeho účinnost. Podobně místo jako kráter Daedalus na pobřežíodvrácená strana Měsíce mohla chránit radioteleskop před vysokofrekvenčním rušením, které brání pozorování na Zemi.

Kosmická loď bez posádky na oběžné dráze Země je základní technologií moderní civilizace. Umožňují přímé monitorování povětrnostních podmínek , přenášejí dálkovou komunikaci, jako je televize, poskytují prostředky přesné navigace a umožňují dálkový průzkum Země. Druhá role slouží k nejrůznějším účelům, včetně sledování půdní vlhkosti pro zemědělství, predikce odtoku vody ze sezónních sněhových srážek, detekce chorob rostlin a stromů a sledování vojenských aktivit.

Hluboké vakuum vesmíru by z něj mohlo udělat atraktivní prostředí pro určité průmyslové procesy, jako jsou ty, které vyžadují ultračisté povrchy.Stejně jako těžba asteroid , 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: 8 000-25 000 $ za kg, podle odhadu z roku 2006 (od té doby s ohledem na inflaci).Náklady na přístup do vesmíru klesly od roku 2013. Částečně opakovaně použitelné rakety, jako je Falcon 9snížili přístup do vesmíru pod 3 500 dolarů za kilogram. S těmito novými raketami zůstávají náklady na odesílání materiálů do vesmíru v mnoha průmyslových odvětvích neúnosně vysoké. Navrhovaná koncepce řešení tohoto problému patří plně k opakovanému použití spouštěcích systémů , non-raketový spacelaunch , hybnosti postrojů a vesmírné výtahy .

Mezihvězdné cestování pro lidskou posádku 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. Další navrhované mezihvězdné pohonné systémy zahrnují lehké plachty , ramjety a paprskový pohon . Pokročilejší pohonné systémy mohly používat antihmotujako palivo, potenciálně dosahující relativistické rychlosti .