Что, если Солнце было бы размером с песчинку?

С точки зрения человека почти невозможно охватить, насколько поразительно огромны космические масштабы. Средний человек немного меньше двух метров в высоту, но диаметр Земли более 12 000 километров. Солнце еще больше — его диаметр составляет 1,4 миллиона километров, и оно невероятно далеко: примерно 150 миллионов километров. И эти числа, хотя они и кажутся великими, ничтожны по сравнению с тем, что лежит за пределами нашей внутренней Солнечной системы. Нептун находится более чем в 4 миллиардах километров; ближайшая звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии 4,2 световых года (или примерно 40 триллионов км), а Млечный Путь простирается более чем на 100 000 световых лет.

Все это еще не выходит за пределы нашей собственной галактики, где тянутся триллионы других, растянутых по всей наблюдаемой Вселенной. Да, это невероятно сложно понять, но что, если мы уменьшим эти масштабы до чего-то более знакомого? Это идея нашего спонсора на Patreon, который хочет знать:

"если бы звезды в галактике были размером с песчинку, насколько далеко друг от друга в среднем будут находиться рни находиться? На этом масштабе, насколько далеко будет галактика Андромеды от Млечного Пути?"

Давайте воспользуемся аналогией буквально, используя наше Солнце в качестве шаблона для звезды. Если бы Вселенная уменьшилась так, что Солнце стало бы песчинкой, как бы выглядела Вселенная?

На этом изображении показано ядро шарового скопления Терзан 5, находящееся всего в 22 000 световых годах от нас в нашем Млечном Пути, с большим разнообразием цветов и масс, свойственных звездам внутри. Поскольку миллионы звезд находятся на расстоянии всего лишь нескольких десятков световых лет друг от друга, это плотное скопление звезд по-прежнему невероятно редко: сотни миллиардов километров отделяют среднюю звезду от ее ближайшего соседа.

Если Солнце было бы песчинкой, вот что бы из этого вышло:

Наше Солнце — самый большой, самый массивный и также самый идеальный сферический объект в нашей Солнечной системе. Вот его основные характеристики:

Возраст: 4,6 миллиарда лет.

Масса: 2 × 10³⁰ кг.

Диаметр: 1,4 × 10⁹ метров (или 1 400 000 км).

Расстояние от Земли: 1,496 × 10¹² метров (или 150 000 000 км).

Что произойдет, если мы попытаемся уменьшить его, хотя бы в наших представлениях, до размера одной песчинки?

Песок, как мы его понимаем, определяется тем, что мы называем размером зерен. Когда у вас есть образец осадка, средний размер зерен, также известный как размер частиц, определяет, к какой классификации он относится. Если размер частиц более 2 мм (или 0,08 дюйма), они известны как гравий: слишком большие, чтобы их классифицировать как песок. Если размер частиц менее 0,0625 мм (или 0,002 дюйма), они известны как ил, с частицами, меньшими, чем ил, образующими глину, а частицы, меньшие, чем глина, образуют коллоид при смешивании с водой.

Но сам песок находится между гравием и илом: состоит из частиц размером от 0,0625 мм до 2 мм (0,002 и 0,08 дюйма), что означает, что мы уменьшим Солнце примерно в триллион раз.

Размер песчинок можно измерить по шкале от 100 микрон до примерно 2 миллиметров. Зерна частиц крупнее песка известны как гравий; меньший, чем песок, — это то, что известно как ил.

Солнце и звезды как песок

Мы должны помнить, что не все звезды идентичны друг другу, так же как и все песчинки не идентичны. Самые маленькие, наименее массивные звезды — красные карлики, которые составляют около 7,5–8% массы Солнца и могут быть почти такими же маленькими, как планета Юпитер, с самым маленьким известным красным карликом, имеющим диаметр всего на 12% больше диаметра Солнца: всего на 20% больше, чем Юпитер.

С другой стороны, звезды могут быть гораздо более массивными и также гораздо большими, чем наше Солнце. Самая массивная известная звезда — R136a1, найденная в Туманности Тарантул, имеет массу в 260 раз больше массы Солнца. Хотя эта категория звезд, голубые сверхгиганты, может быть большой в физическом размере, они достигают всего около 25 раз диаметра Солнца. Самые большие известные звезды — это развитые красные сверхгиганты, и они могут быть в несколько сотен, или даже около 1000 раз, размером Солнца.

Иными словами, так же как песчинки бывают разных размеров, так и сами звезды. Если мы не будем учитывать самые объемные, наиболее развитые звезды и будем рассматривать самую маленькую песчинку как самую маленькую звезду, это приведет к тому, что Солнце окажется примерно 0,5 миллиметра в диаметре как песчинка: точно в 2,8 триллиона раз меньше его фактического физического размера.

(Современная) система спектральной классификации Моргана-Кинана, над которой указан диапазон температур каждого класса звезд в кельвинах. С точки зрения размера, самые маленькие звезды М-класса по-прежнему составляют около 12% диаметра Солнца, но самые большие звезды главной последовательности могут быть в десятки раз больше Солнца, а эволюционировавшие красные сверхгиганты (не показаны) достигают сотен или даже 1000 штук. + раз больше Солнца.

Микроскопическая Земля

Уменьшение Солнца до этих маленьких масштабов потребовало бы представления всей Вселенной, уменьшенной в той же пропорции, что и Солнце, чтобы сделать его соразмерным размеру песчинки. Если бы Солнце было бы диаметром 0,5 миллиметра, тогда вся планета Земля была бы около 4,6 микрона в поперечнике: немного меньше, чем красная кровяная клетка, но немного больше, чем одна бактерия. Континент Австралия был бы чуть больше 1 микрона в размере. Третий по величине ударный кратер на нашей планете, Садберийский бассейн в Северной Америке, был бы размером с вирус Зика: всего 45 нанометров, или меньше, чем длина волны видимого света.

Что касается человеческих существ?

Мы были бы меньше, чем атом. Взрослый человек был бы размером около 600 фемтометров: примерно такого же размера, как 40 ядер урана, выстроенных друг за другом. Физический размер верхней кости вашего большого пальца — так называемой дистальной фаланги — соответствовал бы примерно 1,7 фемтометрам: размеру одного протона. Наша собственная планета и все на ней были бы крошечными.

Внутренняя часть Солнечной системы, включая планеты, астероиды, газовые гиганты, пояс Койпера и многое другое, ничтожна по размеру по сравнению с размером Облака Оорта. Седна, единственный крупный объект с очень далеким афелием, может быть частью самой внутренней части внутреннего Облака Оорта, но даже это оспаривается. В линейном масштабе изображение всей Солнечной системы на одном изображении невероятно ограничено; Чтобы охарактеризовать орбиту удаленного объекта, требуются годы или даже столетия данных.

Маленькая Солнечная система

Если бы Солнце было песчинкой, что это значило бы для масштаба Солнечной системы? Орбитальное расстояние Земли в ее движении вокруг Солнца происходит на радиальном расстоянии около 150 миллионов километров. Если бы Солнце было песчинкой, это соответствовало бы расстоянию около 5,3 сантиметра, или чуть более 2 дюймов.

Юпитер, наша самая большая планета, был бы чуть ниже размера самых маленьких зерен песка, попадающих в категорию "ил", но проложил бы орбиту, отделенную от Солнца на 28 сантиметров (почти фут). Нептун, наша самая дальняя планета, был бы примерно в трети размера Юпитера, но проложил бы орбиту шириной 1,6 метра (около 5’3″).

Наш пояс Койпера простирался бы на около 2,4 метра (почти 8 футов), прежде чем мы наткнулись бы на край обрыва Койпера, который уступает место рассеянному диску, а затем — облаку Оорта. По сравнению со всеми прочими расстояниями до сих пор, облако Оорта огромно: начинается примерно на расстоянии 50–100 метров от песчинки, которое представляет наше Солнце, и простирается на более чем 10 километров.

На этом рисунке показано расположение ближайших звездных систем за пределами Солнечной системы с центром на Солнце. Если вы можете удвоить радиус по сравнению с тем, что вы можете увидеть и измерить, вы охватите в восемь раз больший объем, поэтому способность видеть даже немного дальше значительно увеличивает ваши шансы найти что-то замечательное, даже если это редкий тип. системы, которую вы ищете. Примерно каждые несколько сотен тысяч лет звезда проходит на расстоянии 120 000 а.е. (чуть менее 2 световых лет) от Земли: приближаясь к расчетному размеру облака Оорта.

Дистанция до ближайших звёзд

Если бы Солнце было одной песчинкой — помните, мы выбрали песчинку, которое соответствовало его фактическому размеру по сравнению с другими звёздами, с диаметром 0,5 миллиметров — то насколько далеко были бы другие звёзды в нашей галактике?

Проксима Центаври, ближайшая звезда, находилась бы примерно в 14 километрах, и она была бы среди самых маленьких зерен песка, которые не понизили бы в классификации до ила. Немного дальше, примерно в 15 километрах, находились бы две песчинки размером с Солнце, представляющие звёзды Альфа Центавра A и B.

На расстоянии около 30 километров находится всего около 10 зёрен песка, но это число начинает быстро расти с увеличением расстояния.

На расстоянии 45 километров насчитывается ещё 33 песчинки помимо нашего Солнца. На расстоянии около 200 километров насчитывается около 2000 зёрен песка. И на расстоянии 250 километров это число увеличивается до примерно 3000 зёрен песка. Это последнее число соответствует количеству звёзд, найденных на расстоянии около 82 световых лет (или 25 парсеков) от нашего Солнца, и представляет наилучшее доступное сегодня число известных звёзд в нашем местном окружении.

Южная галактика-Вертушка, Мессье 83, имеет многие черты, общие с нашим Млечным Путем, в том числе спиральные рукава и центральную перемычку, а также отроги и малые рукава. Розовые области демонстрируют переходы в атомах водорода, вызванные ультрафиолетовым светом, создаваемым новыми звездами. Хотя в галактике, подобной Млечному Пути, могут быть сотни миллиардов звезд, они разбросаны на огромных космических расстояниях, так что расстояние от одной звезды до другой обычно измеряется световыми годами.

Масштаб Млечного Пути

Галактика Млечный Путь, однако, гораздо больше. С до оценочными 400 миллиардами звёзд внутри — что соответствует 400 миллиардам зёрен песка — её звёзды распределены в спирально выстроенный диск, который всего лишь на пару тысяч световых лет толщиной, но охватывающий чуть более 100 000 световых лет в диаметре.

Когда мы уменьшаем Солнце до песчинки, размеры Млечного Пути драматически меняются. Диаметр Млечного Пути тогда был бы около 300 000 километров, что немного меньше, чем расстояние от Земли до Луны. (Кстати, это также расстояние, которое свет проходит за одну секунду.) По толщине Млечный Путь был бы около 6000 километров толщиной на расстоянии Солнца, что было бы примерно 70 000 километров от центра Млечного Пути.

В то время как на Земле вам нужно было бы всего лишь забрать около 8 кубических метров песка с пляжа, чтобы получить 400 миллиардов зёрен песка, для Млечного Пути вам пришлось бы покрыть примерно 4 × 10²³ кубических метров объёма, чтобы распределить эти 400 миллиардов зёрен песка на таком же масштабе. На Земле каждая песчинка физически соприкасается хотя бы с одной другой песчинкой; в космосе, если бы Солнце было песчинкой, среднее расстояние между песчинками измерялось бы в километрах.

Этот сверхдалёкий вид Вселенной получен на основе исследования JADES, в котором использованы возможности JWST. Хотя существуют триллионы и триллионы звезд, излучающих свет, питающий эти галактики, они простираются в космосе на десятки миллиардов световых лет. На самом деле плотность звезд в космосе невероятно мала.

Изолированные пляжи

Здесь, на Земле, песок встречается только вдоль побережий, где скалы разрушаются и распадаются на протяжении геологически долгих периодов времени. Эрозия разрушает большие камни на меньшие, а минералы, такие как кварц и полевой шпат, в конечном итоге превращаются в песчинки, с которыми мы знакомы.

Так же, как песок встречается только там, где условия подходящие, в основном вдоль прибрежных районов и только там, где внутренние скалы регулярно транспортируются в большие водоемы (озера, моря и океаны), в нашей Вселенной звезды почти исключительно находятся там, где собираются большие скопления материи: в галактиках.

Около 100 лет назад мы только начали открывать, что великолепные спиральные и эллиптические объекты на ночном небе были самостоятельными галактиками; идея о том, что они таковыми являлись, называлась гипотезой "островной вселенной". Учитывая, что мы используем песок для представления звезд, имеет смысл вернуться к этой аналогии, поскольку эти космические пляжи, переполненные песчинками, являются изолированными концентрациями, которые могут взаимодействовать, объединяться и даже сливаться друг с другом, но в целом они разделены огромными, огромными расстояниями в космосе: миллионы световых лет в наиболее типичных обстоятельствах.

На этом многоволновом изображении двух крупнейших и самых ярких галактик группы M81 видны звезды, плазма и нейтральный водород. Газовый мост, соединяющий эти две галактики, попадает на обе галактики, вызывая образование новых звезд. Если бы каждая звезда уменьшилась до песчинки, эта группа находилась бы на расстоянии 36 миллионов километров, но две галактики разделяли бы лишь немногим более 400 000 километров: расстояние от Земли до Луны.

От Млечного Пути до Андромеды (двух самых крупных и богатых звездами галактик в Местной группе), например, вам пришлось бы преодолеть огромное расстояние в 7,5 миллиона километров, и это в том случае, если бы Солнце и все звезды в них были уменьшены до песчинки. Ближайшие крупные галактики за пределами Местной группы, такие как потрясающие пары галактик Боде и Сигарная галактика, находятся от нас на расстоянии около 36 миллионов километров, но разделены между собой только на около 400 000 километров: это расстояние между Землей и Луной.

Кластер галактик Девы, самый крупный богатый кластер галактик, находящийся от нас, будет находиться примерно в 150 миллионах километров (примерно такое же, как расстояние Земля-Солнце, если бы они не были уменьшены), и содержит более 1000 крупных галактик в сфере размером около 15 миллионов километров.

И если бы вы захотели отправиться к краю наблюдаемой Вселенной, содержащей триллионы и триллионы "островных вселенных" внутри нее, вам пришлось бы отправиться немного дальше 100 миллиардов километров (около 130 миллиардов километров): это примерно эквивалентно расстоянию, которое Седна, единственное тело в гидростатическом равновесии в нашей Солнечной системе, имеющее такую большую эксцентриситет, достигнет в афелии, самой дальней точке от Солнца.

Концепция этого художника показывает логарифмическую картину наблюдаемой Вселенной. Солнечная система уступает место Млечному Пути, который уступает место близлежащим галактикам, которые затем уступают место крупномасштабной структуре и горячей плотной плазме Большого взрыва на окраинах. Если бы мы уменьшили Солнце до песчинки, то наблюдаемая Вселенная имела бы радиус чуть более ста миллиардов километров и содержала бы около 2 секстиллионов «песчинок» (звезд), разбросанных по этому огромному объему.

Хотя уменьшение Солнца до песчинки — и соответствующее уменьшение всех других космических расстояний и масштабов — может помочь сократить абсолютный масштаб Вселенной до более знакомых терминов, она остается такой же редко населенной, как и всегда. Подумайте, если бы вы взяли все песчинки содержащиеся на всех пляжах и побережьях и водоемах на Земле, вы бы получили большое число: 7,5 квинтиллиона (7,5 × 10¹⁸). Если бы вы затем умножили количество зерен песка на 300 и рассыпали их по Солнечной системе отсюда до самых дальних орбитальных пределов Седны, вы бы получили представление о том, насколько редко можно найти звезду во Вселенной.

Да, это правда, что наша Вселенная огромна, впечатляюща и наполнена огромным количеством звёзд и галактик. Но акт взятия всего в 300 раз больше числа зёрен песка на Земле и их рассеивание по сфере, почти в 1000 раз превышающей радиус расстояния Земля-Солнце, где каждая песчинка аналогично звезде, а эта сфера аналогична объёму наблюдаемой Вселенной, помогает проиллюстрировать, насколько «пуста» наша Вселенная на самом деле. Если бы Солнце было песчинкой, объём пространства размером с целую Землю содержал бы менее 1 миллиарда зёрен песка внутри. Вселенная, независимо от того, как на неё смотреть, уже невероятно пуста.