Космічний простір

350 року до н. е., грецький філософ Арістотель припустив, що природа не терпить порожнечі — принцип, який став відомим як жах вакууму. Ця концепція побудована на онтологічному аргументі 5 століття до н. е. грецького філософа Парменіда, який заперечував можливе існування порожнечі в просторі. Виходячи з цього міркування про те, що вакууму не може існувати, на Заході багато століть вважалося, що простір не може бути порожнім. Ще в 17 столітті французький філософ Рене Декарт стверджував, що весь космос повинен бути заповнений.

У стародавньому Китаї астроном 2-го століття Чжан Хен досяг переконання, що космос мусить бути нескінченним, виходячи далеко за межі механізму, який підтримував Сонце та зірки. У книжках, що збереглися в школі Хсюан Іє, йдеться про те, що небо безмежне, «порожнє і не має речовини». Отже «Сонце, Місяць і компанія зірок плавають у порожньому просторі, рухаючись або стоячи нерухомо».

Італійський вчений Галілео Галілей знав, що повітря має вагу, і тому воно підлягає силі тяжіння. 1640 року він показав, що встановлена сила чинить опір утворенню вакууму. Однак його учневі Еванджелісті Торрічеллі залишиться виготовити пристрій, який утворить частковий вакуум у 1643 році. Цей дослід спричинив створення першого ртутного барометра і здійснив науковий розголос в Європі. Французький математик Блез Паскаль вважав, що оскільки стовпчик ртуті підтримується повітрям, то колонка повинна бути коротшою на більшій висоті, де тиск повітря нижчий. 1648 року його зять Флорін Перьє повторив дослід на горі Пюї-де-Дом у центральній Франції і виявив, що стовпчик був коротший на три сантиметри. Таке зниження тиску було продемонстровано також піднесенням напівповної повітряної кулі до гори та спостереженням, як вона поступово розширюється, а потім стискається після спуску.

1650 року німецький вчений Отто фон Ґеріке виготовив перший вакуумний насос: пристрій, який би надалі спростовував принцип  жаху вакууму. Він правильно зазначив, що атмосфера Землі оточує планету як оболонка, до того-ж густина поступово зменшується з висотою. Він зробив висновок, що між Землею і Місяцем повинен бути вакуум.

Вакуумний насос з півкулями у німецькому музеї

Ще в XV столітті німецький богослов Микола Кузанський припускав, що Всесвіту не вистачає центру та окружності. Він вважав, що Всесвіт, хоча і не є нескінченним, не може вважатися обмеженим, оскільки йому не вистачає меж, у яких він міг би міститися. Ці ідеї спричинили міркування щодо нескінченного виміру простору італійським філософом Джордано Бруно у 16 столітті. Він поширив геліоцентричну космологію Коперника на концепцію нескінченного Всесвіту, наповненого речовиною, яку він назвав ефіром, що не чинила опору руху небесних світил.  Англійський філософ Вільям Гілберт дійшов подібного висновку, стверджуючи, що зірки нам видні лише тому, що їх оточено тонким ефіром або порожнечею. Це вчення про ефір, виникло у давньогрецьких філософів, у тому числі Арістотеля, який розумів його як середовище, крізь яке рухаються небесні світила.

Концепція Всесвіту, наповненого світловим ефіром, зберігала підтримку серед деяких вчених до початку 20 століття. Ця форма ефіру розглядалася як середовище, крізь яке може поширюватися світло. 1887 року,  дослідом Майкельсона — Морлі намагалися виявити рух Землі крізь це середовище, шукаючи зміни швидкості світла залежно від напрямку руху планети. Однак нульовий підсумок вказував, що з концепцією щось було не так. Тоді ідея світлоносного ефіру була полишена. Її замінила спеціальна теорія відносності Альберта Ейнштейна, яка стверджує, що швидкість світла у вакуумі є постійною величиною, незалежною від руху спостерігача чи системи відліку.

Першим професійним астрономом, який підтримав вчення нескінченного Всесвіту, був англієць Томас Діггес у 1576 році. Але обсяг Всесвіту залишався невідомим до першого успішного вимірювання відстані до сусідньої зірки 1838 року німецьким астрономом Фрідріхом-Вільгельмом Бесселем. Він показав, що у зірки 61 Лебедя був паралакс всього 0,31 кутових секунди (порівняно із сучасним значенням 0,287 ″). Це відповідає відстані понад 10 світлових років. 1917 року, Гебер Дуст Кертіс зазначав, що нові зорі у спіральних туманностях в середньому на 10 величин слабші, ніж галактичні нові, що дозволяє припустити, що перші у 100 разів далі. Відстань до галактики Андромеди було визначено 1923 року американським астрономом Едвіном Габблом, завдяки вимірюванню яскравості змінних цефеїд у цій галактиці — новому способу, відкритому Генрієттою Свон Лівітт. Це встановило, що галактика Андромеди, отже, і всі галактики лежать далеко за межами Чумацького Шляху.

Основна стаття: Великий вибух

Згідно з теорією Великого вибуху, первинний Всесвіт був надзвичайно гарячим та щільним утворенням близько 13,8 мільярдів років тому, яке стрімко розширювалося. Приблизно

Хронологія метричного розширення простору, де простір, у тому числі здогадні невидимі ділянки Всесвіту, щоразу представлені круговими перерізами. Ліворуч — драматичне розширення відбувається в інфляційну епоху; а в центрі — розширення пришвидшується (задум художника).

за 380 000 років Всесвіт охолов достатньо, щоби протони та електрони могли поєднуватися та утворювати водень — так звана епоха рекомбінації. Коли це сталося, матерія та енергія стали відокремленими, що дозволило фотонам вільно подорожувати через постійно розширюваний простір. Матерія, яка залишилася після початкового розширення, з тих пір зазнала гравітаційного колапсу для створення зірок, галактик та інших астрономічних об'єктів, покинувши після себе глибокий вакуум, який утворює те, що зараз називають космосом. Оскільки світло має кінцеву швидкість, ця теорія також обмежує розміри, безпосередньо спостережуваним Всесвітом. Це залишає відкритим питання, чи є Всесвіт кінцевим або нескінченним.

Сучасний вигляд Всесвіту було визначено з вимірювань космічного мікрохвильового фону за допомогою супутників, таких як WMAP (Мікрохвильової Анізотропії Зонд імені Вілкінсона). Ці спостереження вказують на те, що просторова геометрія спостережуваного Всесвіту є «пласкою», тобто фотони на паралельних шляхах в одній точці залишаються паралельними, коли вони проходять крізь простір до межі спостережуваного Всесвіту, за винятком локальної сили тяжіння. Плаский Всесвіт у поєднанні з вимірюваною щільністю маси Всесвіту та прискореним розширенням Всесвіту вказує на те, що простір має ненульову енергію вакууму, яку називають темною енергією.

За оцінками, середня густина енергії сучасного Всесвіту, дорівнює 5,9 протонів на кубічний метр, разом з темною енергією, темною матерією та баріонами (звичайною речовиною, що складається з атомів). Атоми становлять лише 4,6 % від загальної густини енергії або густини одного протона на чотири кубічні метри. Однак густина Всесвіту явно неоднакова; вона змінюється від відносно високої густини галактик — в тому числі дуже високу щільність у структурах всередині галактик, таких як планети, зірки та чорні діри — до умов у величезних порожнечах, які мають значно меншу щільність, принаймні з точки зору видимої речовини. На відміну від матерії та темної матерії, темна енергія, здається, не зосереджена в галактиках: хоча темна енергія може становити більшість маси енергії у Всесвіті, вплив темної енергії на 5 порядків менший, ніж вплив сили тяжіння від матерії і темної матерії в межах Чумацького Шляху.

Це чорне тло зі світлими формами різних розмірів, розкиданими навмання. Зазвичай вони мають білі, червоні або сині відтінки.

Космічний простір  — найбільш відоме наближення до взірцевого вакууму. Він фактично не має тертя, що дозволяє зіркам, планетам і їх супутникам, вільно рухатися

Частина зображення надглибокого поля Габбла, яка показує звичайну ділянку простору, що містить галактики, перемежовані глибоким вакуумом. Зважаючи на кінцеву швидкість світла, цей погляд охоплює останні 13 мільярдів років історії космосу.

ідеальними орбітами, слідуючи початковому етапу становлення. Однак навіть глибокий вакуум міжгалактичного простору не позбавлений речовини, оскільки він містить кілька атомів водню на кубічний метр. Для порівняння, повітря, яким люди дихають, містить близько 1,9×10²⁵ молекул на кубічний метр. Низька густина речовини в космічному просторі означає, що електромагнітне випромінення може долати великі відстані без розсіювання: середній вільний шлях фотона в міжгалактичному просторі, становить приблизно 1023 км, або 10 мільярдів світлових років. Попри це, вимирання, яке є поглинанням і розсіюванням фотонів пилом і газом, є важливим чинником галактичної та міжгалактичної астрономії.

Зірки, планети та їх супутники утримують власну атмосферу гравітаційним тяжінням. Атмосфери не мають чітко окресленої верхньої межі: густина атмосферного газу поступово зменшується з відстанню від об'єкта, поки її не відрізнити від космосу. Атмосферний тиск Землі падає приблизно до 0,032 Па на 100 кілометрів (62 милі) висоти порівняно зі 100 000 Па, для визначення стандартного тиску Міжнародним союзом чистої та прикладної хімії (IUPAC). Над цією висотою, ізотропний тиск газу швидко стає незначним порівняно з тиском випромінення від Сонця та динамічним тиском сонячного вітру. Термосфера в цьому діапазоні має великі градієнти тиску, температури та складу і дуже змінюється через космічну погоду.

Температура космічного простору, вимірюється з урахуванням кінетичної активності газу, як і на Землі. Однак випромінювання космічного простору має іншу температуру, ніж кінетична температура газу і це означає, що газ та випромінення не перебувають у термодинамічній рівновазі. Весь спостережуваний Всесвіт заповнений фотонами, які було створено під час Великого вибуху, що відомі як космічне мікрохвильове фонове випромінення (CMB). (Цілком ймовірно, що відповідно, велика кількість нейтрино, називається фоном космічних нейтрино.) Поточна температура чорного тіла  фонового випромінювання, становить приблизно 3 К (−270 ° C; −454 ° F).

Магнітні поля було виявлено в просторі навколо майже кожного класу небесних об'єктів. Утворення зірок у спіральних галактиках може породжувати дрібно-розмірні динамо, створюючи бурхливі напруження магнітного поля близько 5–10 мкГ. Ефект Девіса-Грінштейна змушує витягнуті пилові зерна вирівнюватися згідно магнітного поля галактики, що призводить до слабкої оптичної поляризації. Це було використано для показу впорядкованих магнітних полів, що існують у кількох сусідніх галактиках. Магнітогідродинамічні процеси в активних еліптичних галактиках виробляють власні характерні струмені та радіочастки. Нетеплові радіоджерела виявлено навіть серед найбільш віддалених джерел з червоним зсувом, що свідчить про наявність магнітних полів.

Поза захисною атмосферою та магнітним полем, існує мало перешкод для проходу крізь простір енергетичних субатомних частинок, відомих як космічні промені. Ці частинки мають енергію у межах від приблизно мільйона еВ до надзвичайних ста квінтильйонів еВ космічних променів надвисоких енергій. Піковий потік космічних променів відбувається за енергій близько більйона еВ — приблизно 87 % протонів, 12 % ядер гелію і 1 % важчих ядер. У високоенергетичному діапазоні, потік електронів становить лише близько 1 % від протонів. Космічні промені можуть пошкодити електронні компоненти та становити загрозу здоров'ю для космічних мандрівників. Згідно розповідей астронавтів, як Дон Петтіт, у космосі є палений / металевий запах, який чіпляється за їхні костюми й обладнання та подібний до запаху пальника дугової зварки.

Чіткої межі між земною атмосферою та космосом не існує, оскільки зі збільшенням висоти атмосфера розріджується поступово. Якби температура була постійною, то тиск би змінювався за експоненціальним законом від 100 КПа на рівні моря до нуля.
Міжнародна авіаційна федерація (ФАІ) робочою межею між атмосферою та космосом встановила висоту 100 км[1] (лінія Кармана).
У США астронавтами вважають людей, що перебували на висоті понад 50 миль (≈80 км).

Докладніше: Пілотований космічний політ

Усупереч розповсюдженій думці, потрапивши у відкритий космос людина миттєво не замерзне, не вибухне й не знепритомніє, її кров не закипить. Натомість настане швидка смерть від нестачі кисню. Крім того, зі слизових оболонок організму (язик, очі, мембрани в легенях) почне швидко випаровуватись вода. Деякі інші загрози — опіки незахищених ділянок шкіри та ураження інших приповерхневих тканин тіла — почнуться приблизно через 10 секунд. Таким чином, якщо не затримувати подих у легенях, то 30…60 секунд перебування у відкритому космосі не спричинять незворотних ушкоджень людському організмові[2].

Космічний простір поділяють на такі ділянки, які мають різні властивості[3][4]:

• навколоземний космічний простір — простір, що розташований за межами атмосфери Землі і виходить на межі орбіти Місяця (в тому числі точки Лагранжа системи Земля — Місяць) (в англійській мові іноді вживається термін cislunar space[5]). На відміну від інших ділянок космосу навколоземний простір містить космічне сміття — матеріали, що лишилися від людської діяльності на орбітах.
  • ділянку космосу, де гравітація Землі залишається визначальною відносно пертурбацій від Сонця, називають сферою Гілла Землі.
• міжпланетний простір — простір у Сонячній системі поза навколоземним простором. Його умовною межею вважають геліопаузу. Концентрація частинок у міжпланетному просторі становить менше 10⁷ на см³.
• міжзоряний простір — простір між зорями всередині галактик. Концентрація атомів у міжзоряному середовищі змінюється від 10⁶ на см³ (на холодних насичених ділянках) до 10⁻⁴ на см³ (у гарячих розріджених областях, де речовина здебільшого іонізована). У міжхмарному середовищі (яке охоплює близько половини об'єму галактичного диску) вона становить у середньому 0,2 атома на см³.
• міжгалактичний простір — частина космосу між галактиками. Заповнена вкрай розрідженим іонізованим газом із середньою густиною близько 1 атома на 1 дм³ (10⁻⁴…10⁻² на см³).

Поряд із цим вживаним, є умовний поділ космічного простору за відстанню від Землі на:

• ближній космос;
• далекий (глибокий або відкритий) космос.

Чіткої межі між ними не встановлено[6]: одні дослідники проводять межу за гравітаційною сферою Землі (тобто, відносять міжпланетний простір до глибокого космосу)[7], інші ж вважають міжпланетний простір частиною ближнього космосу (тобто, проводять межу ближнього космосу за геліопаузою або за сферою Гілла Сонця)[3].

Щоб вийти на орбіту, тіло має досягти певної швидкості. Космічні швидкості для Землі:

• Перша космічна швидкість — 7,9 км/с;
• Друга космічна швидкість — 11,168 км/с — швидкість для відходу зі сфери тяжіння Землі;

• Третя космічна швидкість — 16,67 км/с — швидкість для відходу зі сфери тяжіння Сонця і виходу в міжзоряний простір;

• Четверта космічна швидкість — близько 550 км/с — швидкість для відходу зі сфери тяжіння галактики Чумацький Шлях і виходу в міжгалактичний простір. Для порівняння, швидкість руху Сонця відносно центру галактики становить приблизно 220 км/с.

Першим, хто зрозумів, що для досягнення таких швидкостей з використанням будь-якого хімічного палива потрібна багатоступенева ракета, був Костянтин Ціолковський.

Фото, передане з Космічного телескопа імені Габбла

Відсутність повітря робить космічний простір (та поверхню Місяця) ідеальними місцями для астрономічних спостережень на всіх довжинах хвиль електромагнітного спектру. Космічні телескопи (такі як космічний телескоп «Габбл», космічний телескоп Спітцера, IRAS, WMAP, UHURU, Чандра) попри свої невеликі розміри (порівняно із земними) отримують унікальні дані, які практично неможливо одержати на поверхні Землі. Крім того, неоціненну інформацію про планети, астероїди та комети Сонячної системи отримують за допомогою космічних апаратів.

Протягом більшої частини історії людства, космос досліджувався за допомогою спостережень, проведених з поверхні Землі — спочатку неозброєним оком, а потім за допомогою телескопа. До появи надійних ракетних технологій, найближче досягання людиною космічного простору — це польоти на повітряній кулі. 1935 року, пілотована повітряна куля US Explorer II сягнула висоти 22 км (14 миль). Це було значно перевершено 1942 року, коли під час третього пуску німецької ракети, А-4 піднялася на висоту близько 80 км (50 миль). 1957 року, «Супутник-1» без екіпажу був запущений радянською ракетою Р-7, досягнувши навколоземної орбіти на висоті 215—939 кілометрів (134—583 милі). За цим пішов перший політ людини в космос 1961 року, коли Юрій Гагарін був відправлений на орбіту, «Востоком-1». Першими людьми, які покинули навколоземну орбіту, були Френк Борман, Джим Ловелл і Вільям Андерс котрі 1968 року, на борту американського космічного корабля «Аполлон-8», досягли місячної орбіти та максимальної відстані 377 349 км (234 474 миль) від Землі.

Першим космічним кораблем, який досяг космічної швидкості, став радянський космічний апарат «Луна-1», що зробив обліт Місяця в 1959 році. 1961 року «Венера-1» став першим планетарним зондом. Він виявив наявність сонячного вітру і зробив перший проліт Венери, хоча контакт з ним було втрачено ще до досягнення Венери. Першою успішною планетарною місією, був проліт «Маринера-2» над Венерою 1962 року. Перший проліт Марса був здійснений «Маринером-4» 1964 року. З тих пір безпілотні космічні кораблі успішно досліджували кожну з планет Сонячної системи, а також їх супутники та безліч малих планет і комет. Вони залишаються основним інструментом для дослідження космічного простору, а також для спостереження за Землею. У серпні 2012 року, «Вояджер-1» став першим штучним об'єктом, який залишив Сонячну систему і увійшов в міжзоряний простір.

Відсутність повітря робить космічний простір зразковим місцем для астрономії на всіх довжинах хвиль електромагнітного спектру. Про це свідчать неймовірні зображення, відправлені космічним телескопом Габбла, що дозволяють спостерігати світло, яке з'явилося більше 13 мільярдів років тому — майже від миті Великого вибуху. Далеко не кожне місце в космосі, ідеально підходить для телескопа. Міжпланетний зодіакальний пил випромінює дифузне ближнє інфрачервоне випромінення, яке може приховувати випромінення слабких джерел, таких як позасонячні планети. Переміщення інфрачервоного телескопа в місце без пилу, збільшить його ефективність. Отже, таке місце, як кратер Дедал на зворотному боці Місяця, могло б захистити радіотелескоп від радіочастотних перешкод, котрі ускладнюють спостереження з Землі.

Безпілотні космічні кораблі на навколоземній орбіті — важлива технологія сучасної цивілізації. Вони дозволяють здійснювати пряме спостереження погодних умов, ретранслювати засоби зв'язку на великі відстані, наприклад телебачення, забезпечувати точну навігацію та дистанційне зондування Землі. Останнє призначення служить найрізноманітнішим цілям, в тому числі: відстеження вологості ґрунту для сільського господарства, передбачення відтоку води з сезонних снігових покривів, виявлення хвороб рослин і дерев і спостереження за військовою діяльністю.

Глибокий космічний вакуум, може зробити його привабливим середовищем для певних промислових процесів, наприклад тих, які вимагають надчистої поверхні. Як і видобуток корисних речовин з астероїдів, космічне виробництво потребує великих фінансових вкладень з невеликими перспективами негайної віддачі. Важливим чинником загальних витрат, була висока вартість виведення маси на навколоземну орбіту: 8 000-25 000 доларів за кг, за остаточною оцінкою 2006 року (з урахуванням інфляції з тих пір). Вартість доступу в космос з 2013 року, знизилася. Частково — багаторазові ракети, такі як Falcon 9, знизили доступ в космос до рівня нижче 3500 доларів за кілограм. Але навіть з цими новими ракетами, вартість відправлення матеріалів в космос, залишається непомірно високою для багатьох галузей промисловості. Пропоновані концепції для вирішення цієї проблеми, передбачають повністю багаторазові пускові системи, неракетні космічні запуски, троси для обміну імпульсом і космічні ліфти.

Міжзоряна подорож для людської команди, залишається в 2020-х роках лише теоретичною можливістю. Відстані до найближчих зірок означають, що для цього будуть потрібні нові технологічні розробки та можливість безпечно підтримувати екіпажі для подорожей, які триватимуть щонайменше кілька десятиліть. Наприклад, впровадження проєкту «Дедал», в якому пропонувалося створити космічний корабель, що працює на синтезі дейтерію і гелію-3, зажадало-б 36 років, щоби досягти «найближчої» системи Альфа Центавра. Інші запропоновані міжзоряні рушійні установки охоплюють: легкі вітрила, прямотічні повітряні двигуни і силові установки з променевою тягою.

Космічний простір відкритий для дослідження і використання всіма державами, він вважається загальною спадщиною людства. Щодо нього діє заборона національного привласнення (на відміну від повітряного простору над територією держави, щодо якого держава має повний та винятковий суверенітет)[1].

Космічний простір частково демілітаризований — заборонено виводити на навколоземні орбіти чи іншим чином розміщувати в космосі, ядерну зброю та інші види зброї масового знищення[1].

Однією важливих проблем визнано утворення на навколоземних орбітах космічного сміття, що становить серйозну загрозу для космічних апаратів, призводить до припинення програм польоту, а у разі пілотованих апаратів — може призвести і до втрати життя[1]. Для запобігання його накопиченню, Комітетом ООН з використання космічного простору в мирних цілях 2007 року було ухвалено «Керівні принципи запобігання утворенню космічного сміття», які схвалено резолюцією Генеральної Асамблеї ООН № A/RES/62/217 від 01.02.2008 р.[8]

• Природа

• Міжпланетний простір
• Промисловість у космосі
• Космічна промисловість
• Космічна промисловість України
• Сонячна система
• Земля
• Міжзоряне середовище
• Чумацький шлях
• Міжгалактичний простір
• Пілотований космічний політ
• Космічний політ