Начало форум Наука и прогностика

Наука и прогностика

Къде изчезнаха звездите? Потънала ли е Слънчевата система в

Място за обсъждане на теми, свързани с наука, философия, прогностика, евристика

Къде изчезнаха звездите? Потънала ли е Слънчевата система в

Мнениеот valio_98 » Нед Яну 21, 2024 1:22 am

Къде изчезнаха звездите? Потънала ли е Слънчевата система в облак от прах?


През последните седмици няколко души ми зададоха въпроса защо звездите са изчезнали и дали Слънчевата система минава през облак от прах, който поглъща светлината от звездите и ги прави невидими. Един от питащите дори се обърна към класиката: „... звезди обсипят свода небесен...“
Краткият отговор е, че облак няма, защото прахът има свойството да разсейва светлината по различен начин – повече синята, по-малко червената. За да има толкова прах, че звездите да изчезнат от небето, цялото небе трябва забележимо да почервенее, включително Слънцето и планетите в слънчевата система. А такова нещо няма, Слънцето и планетите си изглеждат по същия начин, както преди – в това може да се убеди всеки, даже без да прибягва до помощта на телескоп или бинокъл.
Уви, причината за изчезването на звездите е различна, съвсем тривиална от астрономическа гледна точка и за съжаление тя е човешко дело: поради ниската култура на осветление човечеството изпраща към небето (разбирай губи, хвърля на вятъра) огромно количество светлина с помощта на домашно осветление, улични лампи, автомобилни фарове и разбира се – добре осветени рекламни надписи.
Звездите изчезват, защото светлинния фон е повишен и човешкото око се адаптира за условията на по-добра осветеност, вместо за условията на мрак. Адаптацията на очите е бавна – за споменатия пълен мрак изисква около половин час и дори кратко осветяване „изтрива“ ефекта на адаптация и човек трябва да започне да чака отново 30-ина минути. При „нормален“ живот в града хората нямат възможност да се адаптират, заради обилието от източници на ярка светлина.
Звездите нямат шанс пред рекламите, автомобилите и уличните лампи.
Този процес се нарича светлинно замърсяване и по света има много хора и даже организации – някои, но не всички от тях се състоят от астрономи – които според силите и възможностите си се опитват да разясняват и да се борят със светлинното замърсяване, и да „спасят“ небето. Но за светлинното замърсяване четете в самия край.
А по-надолу ще се опитам да обясня подробно, но възможно най-разбираемо защо изчезват звездите.

1. Небесно счетоводство – как се измерва блясъка на звездите

Най-напред – астрономите от древността са измисли да обозначават видимия блясък на звездите със специални единици, наречени звездни величини. Най-ярките звезди имат най-малка звездна величина и колкото по-слаба е една звезда, толкова по-голяма е нейната звездна величина.
Първоначално на най-ярките звезди е била приписана – по определение – нулева или първа звездна величина, обаче по-късно системата е била „настроена“ като астрономите са приели, че звездната величина на Вега е нулева (Вега е най-ярката звезда в съзвездието Лира). Това е удобно, защото Вега е много стабилна звезда, която почти не променя блясъка си и може да служи за стандарт.
Но Вега не е най-ярката звезда на небето, има и по-ярки от нея, което е довело до появата на звезди с отрицателни звездни величини – нали си спомняме, че колкото по-ярка е една звезда, толкова по-малка е нейната звездна величина, а отрицателните числа да по-малки от положителните и от нулата... Най-ярката звезда на нощното небе е Сириус ( от съзвездието Голямо куче), и нейната звездна величина е около -–1.5, а ако вземем предвид и дневното, Слънцето печели с -–27; международната космическа станция, в зависимост от ориентацията на слънчевите си батерии, може да надмине Сириус и да достигне до около -–6 звездна величина.
През ясна и тъмна (тази уговорка е важна, както ще стане ясно по-надолу) човек със средно добро (или средно лошо – ако сте песимисти) зрение може да види звезди от 6-та звездна величина.
Специална уговорка – звездните величини се дефинират за различни участъци от електромагнитния спектър. Тук говоря за така наречените видими звездни величини, които обхващат само светлината, към която човешкото око е чувствително.


2. Най-лошият детектор на светлина (но е безплатен и го има всеки)

Става дума за човешкото око, разбира се.
Нека да се обърнем към човешката физиология. Нашите сетива – слухът, осезанието и което е важно в нашия случай, зрението – имат логаритмична чувствителност. Това означава, че голяма промяна на звука или осветлението се приема от мозъка като малка промяна. Най-вероятно това свойство е възникнало в хода на еволюцията за да ни помогне да обхващаме по-големи диапазони дразнения – както много силен звук, така и много слаб, както много силна светлина, така и много слаба.
За да приведат скалата за яркост на звездите в по-близко съответствие с нашите възприятия, астрономите са я направили логаритмична: ако една звезда е с една звездна величина по-бляскава от друга, то регистрираната светлина от първата е точно 2.512 пъти по-голям от светлината, която получаваме от втората. Този фактор е избран така, че 5 звездни величини точно да съответстват на фактор от 100, за удобство.
Човешкото око се адаптира към условие на ниска осветеност по два начина:
(1) Разширява се зеницата, която по същество е диафрагма, управлявана от кръгов мускул, регулираща колко светлина влиза в около. Зеницата е черна, защото по-голямата част от светлината която достига до нея, преминава и навлиза в окото, а не се отразява или разсейва (ние виждаме предметите около нас благодарение на това, че те отразяват светлина). През деня диаметърът на зеницата е около 2 милиметра, а когато е тъмно може да достигне 7 – 8 милиметра. Количеството преминалата светлина е пропорционално на площта на зеницата (т.е. на квадрата на диаметрите) и една максимално разширена зеница може да пропусне (8/2)**2=16 пъти повече светлина, отколкото една максимално свита. По подобна причина от галилеево време насам астрономите се стремят да наблюдават с колкото се може по-големи телескопи – те събират повече светлина. Например телескопите VLT в Чили, с диаметър около 8 метра, събират милион пъти повече фотони, отколкото може да събере едно човешко око, дори когато зеницата му е максимално разширена.
(2) Сменят се светлочувствителните елементи в окото. Те са два вида – пръчици и колбички. Първите са по-силно чувствителни от вторите, но не регистрират цвят. На тъмно „работят“ именно пръчиците.
От гледна точка на астрономите, окото е един от най-лошите детектори на светлина: то има ефективност само около процент, т.е. регистрира приблизително един на всеки сто фотона. За сравнение – фотографската емулсия регистрира 5 – 10%, а съвременните цифровите детектори могат да достигнат 90% ефективност. Освен това окото не може да „събира“ фотони през продължителни интервали от време, т.е. не може да експонира дълго време, както могат фотографските емулсии или цифровите детектори.

3. „По дирята на безследно изчезналите“ звезди

Както стана дума в началото, през ясна и чиста нощ „средният“ човек може да види на небето, без помощта на бинокъл или телескоп, до няколко хиляди звезди, като най-слабите от тях са от около 6-та звездна величина.
През нощта, в голям град и ако все пак избегне на-ярко осветените булеварди, човек може да види няколко десетки звезди, примерно двадесет. Ако не забравяме, че половината звезди са невидими, защото във всеки момент се вижда само половината от небесната сфера (другата половина е под краката ни, от другата страна на Земята), и погледнем колко ярка е 40-тата звезда в списъка на най-ярките звезди (тук), ще открием, че това е Алкаид от съзвездието Голяма Мечка, с приблизително 1.9 звездна величина. Да я закръглим на 2-ра звездна величина. Астрономите любители наричат това гранична звездна величина – звездната величина най-слабата видима звезда.
В конкретния пример наблюдател в голям град губи 4 звездни величини, и ако си спомним, че имаме работа с логаритмична скала, това е 2.512 на 4-та степен, което означава загуба по поток от фактор около 40.
За наблюдател в по-малък град „загубата“ ще бъде по-малка, разбира се, но все пак е забележима – от собствен опит знам, че на обсерваториите в Андите ясно се виждат градове на разстояние 100-120 км като огнено зарево на хоризонта. А в Родопите едно Пампорово, с пищно осветените си писти, „изтрива“ звездите на много километри около себе си.

4. И все пак, обгърната ли е Земята от облак прах?

Не случайно споменах числото 40 по-нагоре. Ако изчезването на звездите беше заради облак, облакът трябваше да поглъща или разсейва 39 на всеки 40 фотона и до нас да достига само оставащият един.
Тук възникват два въпроса.
Първо, къде отива енергията на погълнатите фотони. Законът за запазване на енергията е емпирично наблюдение, за което са се досещали още древните гърци. То гласи, че енергията не изчезва, а само преминава от един в друг вид. Когато един фотон е погълнат от прахова частица, енергията му отива за нагряване на частицата. Ефектът е много малък, хилядни или милионни части от градуса. И после частицата излъчва като абсолютно черно тяло. Името е заблуждаващо и всъщност абсолютно черните тела не са черни и за разлика от адашите си, черните дупки, те излъчват (с избора на сложни имена физиците само си придават важност, разбира се; за абсолютно черните тела може да се прочете тук).
Отговорът на нашия въпрос е, че част от енергията на фотоните от далечните звезди ще бъде преработена в инфрачервено – иначе казано топлинно – излъчване.
В момента на земята и в космоса работят множество телескопи, специално конструирани да „виждат“ инфрачервеното лъчение. Един от тях е „Джеймс Уеб“. Но за регистрирането на хипотетичния облак прах е по-важен друг телескоп – Wide-field Infrared Survey Explorer или WISE. Той беше изстрелян в края на 2009 година и се специализира в обзори – той просто сканира небето, отново и отново. В момента той повтаря за 20-тия път обзора на цялото небе. Този телескоп разбира се щеше да забележи подобен прахов облак, далеч преди Слънчевата система да се гмурне в него.
Тук може да се види как изглеждат праховите облаци през „очите“ на WISE.
Но подобна регистрация на хипотетичния прахов облак може да бъде дело само на професионалните астрономи – един любител не може да „погледне“ през WISE със собствените си очи.

4 и 1/2. Отговор за непрофесионалисти

Тик опираме до втория въпрос – как хипотетичният облак би повлиял на светлината, която все пак достига до нас.
В края на 1920-те години Робърт Трюмплер – швейцарски астроном, който прекарва почти цялата си кариера в Щатите – изследва структурата на нашата галактика, Млечния път. Той забелязва, че далечните звездни купове са по-слаби и по-червени, отколкото би трябвало да бъдат, и предполага, че междузвездната среда не е празна, а съдържа прах, който поглъща или разсейва светлината и нещо повече – прави я по-червена. „Научният бестселър“ на Трюмплер – статията му от 1930 година, в която той описва резултатите от наблюденията си, може да се прочете свободно тук.
След още няколко години упорита работа астрономите научават, че синята светлина се „гаси“ повече от червената – с около 30% повече (в логаритмични единици). За сведение – погледнете втория ред в Таблица 3 на тази статия. Наистина, тя е от 1985 година, но от тогава свойствата на междузвездния прах не са се променили.
Нека да допуснем, че изчезването на звездите от 6-та до 2-ра звездна величина се дължи на разсейване и поглъщане от прах, тогава във визуалната област (която вижда човешкото око), щяхме да имаме 4 звездни величини поглъщане; да го обозначим с А(визуално) = 4 звездни величини.
А в синята област – според таблицата от гореспоменатата статия – щяхме да имаме поглъщане A(синьо) = 1.324 * 4 = 5.296 звездни величини.
С други думи, във видимата област хипотетичният облак е пропуска до нас 1 фотон на 40, а в синята област: 2.512 на степен 5.296 = 131.4 или приблизително 1 на 131 фотона.
Обектите ще губят около три пъти повече сини фотон, отколкото червени фотони.
В астрономията разликата между две области от електромагнитния спектър се нарича цвят. Има много различни цветове, за многото различни области от спектъра. Но сега ще разглеждам само синята и червената светлина, които грубо казано имат дължини на вълните около 400 и 550 нанометра. Цветовете също се измерват в звездни величини – те са просто разликите между синята и червената звездни величини.
За Слънцето въпросният цвят е около 0.66 звездни величини. Ако „намалим“ синята му светлина с 5.3 звездни величини, а червената с 4 звездни величини и не забравяме, че намаляването на светлината означава по-голямо число звездни величини, ще получим:
0.65 + 5.3 – 4.0 = 1.92 звездни величини.
Може ли да се забележи тази разлика?
Да, еднозначно, и дори човек не трябва да бъде нито професионален, нито любител астроном.
По една случайност въпросният цвят за звездата Бетелгейзе (червен свръхгигант от зимното съзвездие Орион) е 1.85, почти толкова червена, колкото би станало Слънцето, ако звездите изчезваха от небето заради облак от прах, обгърнал земята.
Бетелгейзе е една от малкото достатъчно ярки звезди, чийто цвят може да се види лесно с бинокъл или дори с просто око (ако сте на достатъчно тъмно място, разбира се).
Разбира се, би могло хипотетичният облак да обхваща не само Земята, но и Слънцето, и дори да е по-голям от цялата Слънчева система. Разбира се, тогава Слънцето и планетите няма да почервенеят, поне не толкова много. Но това няма да промени извода, че всички далечни звезди, които са извън облака (а те трябва да бъдат извън него, за да може той да отслаби светлината им) и които все пак виждаме, ще почервенеят значително.

5. Добре дошли в Антропоцена!

Замърсяването на небето с „паразитна светлина“ е добре известен проблем на астрономите и в известен смисъл е радостно, че хората започнаха да си дават сметка за него. Тук може да се прочете една хубава статия на National Geographic по този проблем, а от тази карта се вижда, че проблемът е глобален – в Европа е почти безсмислено да се строят големи оптични обсерватории заради гигантската гъстота на населението.
Един пример за последствията от влошаването на ситуацията е миграцията на Ватиканската обсерватория. Тя е основана през 1774 година и до 1930 година, с известни прекъсвания, се намира в центъра на Рим, когато пушекът и осветлението принуждават папските астрономи да се преместят в Кастел Гандолфо, на хълмовете около града. Но съвсем скоро и това не е достатъчно, и през 1961 година обсерваторията създава филиал в Тюсън, в пустинята Аризона и си сътрудничи с обсерваторията Стюарт, чийто телескопи на на около 65 км югозападно от града. А през 1993 година Тюсън се разраства толкова много, че се налага следващият телескоп да се построи още по-далече, на планината Грахам, на повече от 130 км североизточно от града.
Българската национална обсерватория „Рожен“ също страда от осветлението на околните курорти и села.
Има различни решения. Едно е да се преместят обсерваториите на далечни и изолирани места, но възможностите стават все по-малко. Друго и да се използват – когато е възможно, специални филтри, „отсичащи“ светлината на най-разпространените газоразрядни улични лампи или се работи в диапазони на електромагнитния спектър като инфрачервеното, незасегнати от светлинното замърсяване; или да се работи само спектроскопия с високо спектрално разрешение, която е по-слабо засегната. Трето – да се наблюдава от космоса като се построят обсерватории на Луната се изпратят телескопи в орбита.
Нито едно от тези решения не е идеално. Освен това не може да искаме другите хора да зарежат такива важни занимания, като среднощно каране на ски (което създава проблеми за „Рожен“) или да замрази носещата милиони минна индустрия за добив на мед или литий (което създава проблеми за някои обсерватории в Чили). Ако иронията ми се усеща в предното изречение – добре, има я и тя е тъжна.
Ако тенденцията се запази, рано или късно ще стане невъзможно да се правят астрономически наблюдения от повърхността на планетата, с редки изключения. Но освен астрономите, губещи ще са и всичко останали – днес много от децата, които израстват в силно урбанизирана градска, среда почти никога не са виждал небето в цялата му красота. И скоро може да загубват възможност да го видят когато и да е и откъдето и да е.


Още по темата за светлинното замърсяване:
https://forum.starrydreams.com/viewtopic.php?t=6450#p76138
https://bg.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%BD%D0%BE_%D0%B7%D0%B0%D0%BC%D1%8A%D1%80%D1%81%D1%8F%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B5
https://www.youtube.com/watch?v=Tj_TpcAIwfQ
Аватар
valio_98
 
Мнения: 861
Регистриран на: Сря Юли 06, 2011 10:32 pm

Назад към Наука и прогностика

Кой е на линия

Потребители разглеждащи този форум: 0 регистрирани и 9 госта

cron
Общо на линия са 9 потребители :: 0 регистрирани0 скрити и 9 гости (Информацията се обновява на всеки 5 минути)
На Сря Яну 15, 2020 8:06 pm е имало общо 349 посетители наведнъж.

Потребители разглеждащи този форум: 0 регистрирани и 9 госта