Loty w kosmos

RZWaSK6JfFMlm

Zdjęcie przedstawia obraz z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Na pierwszym planie panele energetyczne i inne elementy konstrukcyjne, daleko w tle u góry, a tak naprawdę daleko poniżej krzywizna Ziemi. Centralna część kadru, w tym fragment linii horyzontu, a także części stacji znacznie jaśniejsze, oświetlone przez Słońce, które w momencie wykonywania zdjęcia zasłonięte było największym z paneli słonecznych.

Satelity telekomunikacyjne

Satelity służą do przekazywania sygnałów radiowych i telewizyjnych. Pierwsze urządzenie tego typu nazywało się Echo $1$. Ten satelita – umieszczony na orbicie w $1960$ r. – tylko odbijał fale elektromagnetyczne.

RaS9rYsKzNM6X

Zdjęcie przedstawia satelitę Echo 2. Zdjęcie czarno‑białe. Na zdjęciu widoczna ogromna, srebrna kula. Kula wypełnia całe zdjęcie. W tle rusztowania oraz lampy oświetlające kulę. Na kuli znajduje się napis: „N.A.S.A.”. W pobliżu satelity znajduje się kilkanaście osób.

Potem konstruowano satelity, które odbierały sygnały, wzmacniały je i transmitowały dalej. Orbity tych urządzeń były eliptyczne, co zmuszało do „śledzenia” takiego satelity przez stacje odbiorcze na Ziemi. Obecnie wykorzystujemy satelity geostacjonarne. Krążą one w odległości ok. $36000 \mathrm{km}$ nad powierzchnią Ziemi – poruszają się po orbitach leżących w płaszczyźnie równika. W zasadzie trzy takie satelity wystarczyłyby do pokrycia całej Ziemi odbieranym sygnałem, ale jest ich znacznie więcej.

Satelity nawigacyjne do ustalania położenia obiektów na powierzchni Ziemi

System określania położenia obiektu na powierzchni Ziemi jest codziennością już od kilku lat. Dla wielu kierowców jazda z włączonym odbiornikiem sygnału satelitarnego i możliwość oglądania trasy na wyświetlanej mapie zawierającej wskazówki, jak jechać dalej, są normalnym elementem jazdy. Taką nawigację umożliwiają obecnie dwa systemy satelitów: amerykański GPSGPS (ang. Global Positioning System)GPS i rosyjski GLONASSGLONASS (ros. Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema)GLONASS.

System GLONASS – podobnie jak GPS – został zaprojektowany w latach $70$ $\mathrm{XX}$ w. Oba systemy mają przede wszystkim zastosowanie militarne. Zarówno GLONASS, jak i GPS, składają się z $31$ satelitów. Część z nich to satelity operacyjne, część zaś pełni funkcję satelitów zapasowych.

Obecnie powstają jeszcze trzy systemy tego typu, m.in. system Galileo, będący dziełem Europejczyków, system chiński i system hinduski.

RowQ6OVwph5JK

Ilustracja przedstawia planowane rozmieszczenie satelitów systemu Galileo. Tło niebiesko‑granatowe, cieniowane. W środku ilustracja Ziemi. Wokół Ziemi, białymi i szarymi liniami narysowano elipsy – orbity. Na elipsach, w różnych miejscach, umieszczono satelity. Jest ich około 30.

Systemy nawigacji mogą być użytkowane przez posiadaczy nie tylko specjalnych odbiorników, lecz także smartfonów (zarówno system GPS, jak i GLONASS).

Poza satelitami nawigacyjnymi w przestrzeni kosmicznej znajdują się również inne satelity, np. meteorologiczne, telekomunikacyjne (telefonia satelitarna, telewizja), badawcze, teleskopy kosmiczne. Satelity te znajdują się na różnych wysokościach i okrążają Ziemię z różnymi prędkościami.

R1RMkhBsARlbs

Ilustracja na której w centrum znajduje się Ziemia, do której przyłożono układ współrzędnych. Na osi pionowej dodatniej odłożono czas obiegu wokół Ziemi. Na osi pionowej ujemnej odłożono prędkość orbitalną w kilometrach na godzinę. Na osi pozioma dodatnia odłożono wysokość nad poziomem morza. Na osi poziomej ujemnej odłożono promień orbity. Wokół Ziemi narysowano orbity satelitów: Galileo, GPS, GLONASS, COMPASS, Iridium, Hubble, ISS oraz orbitę geostacjonarną. Blisko wokół Ziemi orbitują kolejno ISS, Hubble oraz Iridium. Dla każdego z nich, czas obiegu wynosi poniżej dwóch godzin, wysokość nad poziomem morza poniżej tysiąca kilometrów, prędkość orbitalna powyżej dwudziestu pięciu kilometrów na godzinę a promień orbity poniżej siedmiu kilometrów. Czas obiegu GLONASS to ponad jedenaście godzin, wysokość nad poziomem morza dziewiętnaście tysięcy kilometrów, prędkość orbitalna ponad czternaście tysięcy kilometrów na godzinę, promień orbity około dwadzieścia pięć i pół tysiąca kilometrów. Czas obiegu GPS to dwanaście godzin, wysokość nad poziomem morza dwadzieścia tysięcy kilometrów, prędkość orbitalna czternaście tysięcy kilometrów na godzinę, promień orbity około dwadzieścia sześć i pół tysiąca kilometrów. Czas obiegu COMPASS to prawie trzynaście godzin, wysokość nad poziomem morza dwadzieścia jeden tysięcy kilometrów, prędkość orbitalna poniżej czternastu tysięcy kilometrów na godzinę, promień orbity około dwadzieścia siedem i pół tysiąca kilometrów. Czas obiegu Galileo to około czternastu godzin, wysokość nad poziomem morza dwadzieścia trzy tysiące kilometrów, prędkość orbitalna trochę powyżej trzynastu tysięcy kilometrów na godzinę, promień orbity prawie trzydzieści tysięcy kilometrów. Orbita geostacjonarna znajduje się prawie trzydzieści sześć kilometrów nad poziomem morza, a więc jej promień wynosi trochę powyżej czterdziestu dwóch tysięcy kilometrów. Okres obiegu wokół Ziemi na tej orbicie wynosi dwadzieścia cztery godziny z prędkością nieco powyżej jedenastu tysięcy kilometrów na godzinę.

Stacje kosmiczne

Ludzkość marzyła o tym, aby móc przebywać jak najdłużej w przestrzeni kosmicznej. Za każdym razem człowiek przebywał na orbicie coraz dłużej (pierwszy statek, którym człowiek poleciał w Kosmos, nazywał się Wostok $1$ – pobyt kosmonauty Jurija Gagarina w przestrzeni kosmicznej trwał $108$ minut). Jednak życie w małym statku kosmicznym nie pozwala na prowadzenie badań. Prawdziwą stacją badawczą była radziecka stacja Mir (Pokój), istniejąca od $1986$ r. i rozbudowywana przez dołączanie kolejnych modułów do $1996$ r. W wyniku rozbudowy masa stacji osiągnęła ponad $130$ ton. Przez kilkanaście lat przebywało na niej $137$ kosmonautów z wielu krajów, którzy przeprowadzili tysiące eksperymentów naukowych i zdobyli bezcenne doświadczenia związane z reakcją organizmu ludzkiego na długotrwały pobyt w stanie nieważkości. Kiedy rozpoczęto budowę Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), stację Mir trzeba było zamknąć.

ROnt4imWPXcKR

Zdjęcie przedstawia stację kosmiczną Mir na orbicie. Na pierwszym planie widoczna stacja kosmiczna, w tle fragment kuli ziemskiej. Stacja składa się ze skomplikowanych modułów oraz kilku podłużnych paneli słonecznych.

R1LENlIAqm2XR

Zdjęcie przedstawia kosmonautę wykonującego ćwiczenia na bieżni magnetycznej wewnątrz stacji kosmicznej. Mężczyzna w wieku ok. 35 lat. Widoczny prawy bok ciała. Szatyn, włosy krótko przystrzyżone. Ubrany w szarą koszulkę z krótkim rękawem typu T‑shirt oraz granatowe spodenki. Na nogach obuwie sportowe typu adidas i białe skarpetki. Mężczyzna uśmiecha się. Mężczyzna na biodrach ma szeroki biały pas, do którego przypięto uprząż mocującą go nad bieżnią.

R1QPfmfLrgl6a

Zdjęcie przedstawia dwóch kosmonautów na stacji Mir. Mężczyźni w wieku ok. 50 lat. Obejmują się i pozują do zdjęcia. Mężczyzna po lewej ma siwiejące włosy, ogorzałą twarz oraz widoczne zmarszczki. Oczy jasne. Nos duży. Ubrany w koszulkę polo z długim rękawem w granatowo‑czerwono‑białe pasy z białym kołnierzykiem. Mężczyzna po prawej ma krótkie, ciemne włosy, starannie zaczesane z przedziałkiem po prawej stronie (jego lewej). Mężczyzna szeroko się uśmiecha pokazując zęby. Oczy zmrużone. Mężczyzna ma ciemne wąsy. Ubrany jest w niebieski kombinezon z naszytą na lewym ramieniu flagą Rosji. Obaj mężczyźni noszą czarne zegarki.

RxJFkod0bilJw

Zdjęcie stacji Mir wykonane z promu kosmicznego. Stacja składa się ze skomplikowanych modułów oraz kilku podłużnych paneli słonecznych rozmieszczonych na planie krzyża z czterema ramionami.

Rcf7dZF1N6WFt

Ilustracja przedstawia schemat modułowej budowy stacji Mir. Tło białe. Stacja składa się z siedmiu modułów i dwóch pojazdów kosmicznych. W linii prostej połączone są kolejno bezzałogowy pojazd kosmiczny Progress‑M, moduł Kwant‑1, moduł główny, załogowy pojazd kosmiczny Sojusz‑TM. Dododatkowo prostopadle, do modułu głównego podłączone są moduł Spektrum, moduł Kryształ i moduł dokujący, moduł Kwant‑2 i moduł Przyroda. Każdy moduł, oprócz dokującego Przyrody i Kryształu, ma przynajmniej po dwa podłużne panele słoneczne.

Pierwsze moduły Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zostały wyniesione na orbitę w $1998$ roku. Owa stacja – podobnie jak Mir – jest zaprojektowana w systemie modułowym. Obecna objętość pomieszczeń wynosi około $837 {\mathrm{m}}^3$, a masa – ponad $417$ ton. Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej może przebywać jednocześnie do $7$ osób (choć zdarzyło się, że obecna na stacji załoga liczyła $11$ osób).

R6fewDnSo0wJI

Zdjęcie przedstawia Międzynarodową Stację Kosmiczną ISS na tle fragmentu kuli ziemskiej. Najbardziej charakterystycznym elementem stacji jest zestaw ośmiu par podłużnych paneli słonecznych, znajdujących się na ramionach zestawu modułów, z których złożona jest stacja.

Na stacjach kosmicznych przeprowadza się nie tylko eksperymenty naukowe z różnych dziedzin fizyki i astronomii. Równie ważne są badania związane ze szczególnymi warunkami panującymi na stacji, mianowicie ze stanem nieważkości. Są to badania np. krystalizacji ciał w tym stanie (nie występuje wtedy zjawisko konwekcji) oraz wpływu stanu nieważkości na organizm człowieka.

Stan nieważkości

Widziałeś pewnie transmisje z pokładu stacji kosmicznej, podczas których kosmonauta jakby pływał, mógł się ustawiać w dowolnej pozycji, a puszczony przez niego przedmiot nie spadał, tylko unosił się w kabinie. Co to jest stan nieważkościnieważkośćstan nieważkości i w jakich warunkach mamy z nim do czynienia?

Wiemy, że na powierzchni Ziemi działa na nas siła grawitacji. Najbardziej to odczuwamy, gdy musimy wejść po wysokich schodach lub na górski szczyt. A czy na pokładzie stacji kosmicznej istnieje grawitacja? Oczywiście, że tak – inaczej zarówno stacja, jak i jej załoga nie poruszałyby się wokół Ziemi. Do tego potrzebna jest siła dośrodkowa, którą jest siła grawitacji. Dlaczego zatem na Ziemi odczuwamy ciężar, a na orbicie – nie?

R14MDKdb01T9I

Film ilustrujący zmianę siły nacisku paczki na wagę sprężynową w czasie ruchu windy.

Film ilustrujący zmianę siły nacisku paczki na wagę sprężynową w czasie ruchu windy.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R14MDKdb01T9I

Film ilustrujący zmianę siły nacisku paczki na wagę sprężynową w czasie ruchu windy.

Kiedy położysz paczkę na wadze sprężynowej, spowodujemy ugięcie sprężyny. Sytuacja ta została przedstawiona na rysunku $A$.

RDb6KinKs3KwR

Grafika obrazująca paczkę umieszczoną na szalce sprężynowej. Tło białe. Dwie kwadratowe płyty, jedna nad drugą, połączone sprężyną. Na górnej płytce znajduje się brązowy sześcian. Na dole wielka litera „A”.

Pod wpływem nacisku paczki, wynikającego z siły grawitacji, sprężyna ugina się aż do uzyskania stanu równowagi. Paczka znajdująca się w tym stanie jest nieruchoma, co w myśl I zasady dynamiki oznacza, że wypadkowa sił na nią działających wynosi zero. Jakie siły działają na paczkę?

R1Gbqx32Y8ktJ

Grafika obrazująca paczkę umieszczoną na szalce sprężynowej. Tło białe. Dwie kwadratowe płyty, jedna nad drugą, połączone sprężyną. Na górnej płytce znajduje się brązowy sześcian. Na dole wielka litera „B”. Od środka sześcianu w górę i w dół poprowadzono dwie strzałki. Niebieska – skierowana do góry, podpisana „F_r”. Czerwona – skierowana w dół, podpisana „Q”. Od brzegu górnej płytki do dolnej płyty poprowadzono zieloną strzałkę, prostopadłą do płytek. Strzałka podpisana „F_n”. Na dole ilustracji wielka litera „B”.

Oczywiście, działa siła grawitacji $Q$ oraz reakcja sprężyny na nacisk (zgodnie z $\mathrm{III}$ zasadą dynamiki, paczka działa na sprężynę siłą nacisku $F_n$, a sprężyna na paczkę – siłą reakcji $F_r$).

Na rysunku $B$ widzimy, że $F_r=Q$ ($\mathrm{I}$ zasada dynamiki); wartości obu sił są równe. Jednocześnie siła $F_r=F_n$ (zgodnie z $\mathrm{III}$ zasadą dynamiki wartości sił akcji i reakcji są równe).

RyUtzJLhIKz9V

Grafika obrazująca paczkę umieszczoną na szalce sprężynowej. Tło białe. Dwie kwadratowe płyty, jedna nad drugą, połączone sprężyną. Na górnej płytce znajduje się brązowy sześcian. Na dole wielka litera „B”. Od środka sześcianu w górę i w dół poprowadzono dwie strzałki. Niebieska – skierowana do góry, podpisana „F_r”. Czerwona – skierowana w dół, podpisana „Q”. Od brzegu górnej płytki do dolnej płyty poprowadzono zieloną strzałkę, prostopadłą do płytek. Strzałka podpisana „F_n”. Cała szalka sprężynowa znajduje się w przezroczystym prostopadłościanie o ciemnoszarych brzegach. Na dole ilustracji wielka litera „C”.

Przedstawione wyżej rozumowanie sprawdza się zarówno w sytuacji pokazanej na rysunku, jak i wtedy, gdy nasza paczka jedzie ruchem jednostajnym (np. windą). Wskazania wagi są równe sile grawitacji $Q$ – rysunek $C$.

Co się jednak stanie, gdy winda, która znajdowała się w stanie spoczynku, ruszy w górę?

RLDHDy2yxoDoG

Grafika obrazująca paczkę umieszczoną na szalce sprężynowej. Tło białe. Dwie kwadratowe płyty, jedna nad drugą, połączone sprężyną. Na górnej płytce znajduje się brązowy sześcian. Na dole wielka litera „B”. Od środka sześcianu w górę i w dół poprowadzono dwie strzałki. Niebieska – skierowana do góry, podpisana „F_r”. Czerwona – skierowana w dół, podpisana „Q”. Od brzegu górnej płytki do dolnej płyty poprowadzono zieloną strzałkę, prostopadłą do płytek. Strzałka podpisana „F_n”. Cała szalka sprężynowa znajduje się w przezroczystym prostopadłościanie o ciemnoszarych brzegach. Po lewej stronie prostopadłościanu narysowano strzałkę zwróconą ku górze, prostopadłą do podłoża. Obok strzałki znajduje się litra „a” z małą strzałką nad literą, równoległą do podłożona, zwróconą w prawo. Na dole ilustracji wielka litera „D”.

Będzie wówczas poruszać się ruchem przyspieszonym (załóżmy dla uproszczenia, że jest to ruch jednostajnie przyspieszony). Co nam w takiej sytuacji podpowiadają zasady dynamiki?

Skoro winda porusza się w górę ruchem jednostajnie przyspieszonym, robi to również paczka (oczywiście domyślasz się, że sprężyna dodatkowo nieco się ugnie). Aby paczka poruszała się ruchem przyspieszonym, siła wypadkowa działająca na tę paczkę musi być różna od zera i mieć zwrot w górę (zgodnie z $\mathrm{II}$ zasadą dynamiki). Oznacza to, że siła $F_r$ będzie większa od siły $Q$ i wypadkowa sił działających na paczkę będzie spełniać równanie:

gdzie:

$m$ – masa paczki;
$a$ - przyspieszenie windy, a tym samym również przyspieszenie paczki.

Sytuacja przedstawiona została na rysunku $D$.

Siła $F_r=m·a+Q$. W związku z tym (i $\mathrm{III}$ zasadą dynamiki) również siła nacisku $F_n=m·a+Q$. Wniosek jest oczywisty: siła nacisku wzrosła.

Taki stan występuje w statku kosmicznym podczas startu: rakieta poruszająca się z rosnącym przyspieszeniem rozpędza również kosmonautów – efektem jest tzw. przeciążenieprzeciążenieprzeciążenie. Kosmonauci naciskają na fotele, na których leżą, siłą wielokrotnie większą od swojego ciężaru. Jest to stan nietypowy dla ludzkiego organizmu, więc kosmonauci odbywają wcześniej wielogodzinne treningi w tzw. wirówkach przeciążeniowychwirówka przeciążeniowawirówkach przeciążeniowych.

Po pewnym czasie statek dociera na orbitę, silniki zostają wyłączone – rozpoczyna się lot orbitalny. Siła grawitacji działa cały czas: zakrzywia tor statku i tor, po którym poruszają się kosmonauci. Skąd zatem bierze się stan nieważkości?

Wróćmy na chwilę do naszej windy – pomogła nam ona zrozumieć stan przeciążenia. Przyjmijmy, że teraz winda zaczyna zjeżdżać w dół. Oczywiście, na początku porusza się ruchem przyspieszonym. Co teraz powiedzą nam zasady dynamiki?

RpQQu694Q7lGF

Grafika obrazująca paczkę umieszczoną na szalce sprężynowej. Tło białe. Dwie kwadratowe płyty, jedna nad drugą, połączone sprężyną. Na górnej płytce znajduje się brązowy sześcian. Na dole wielka litera „B”. Od środka sześcianu w górę i w dół poprowadzono dwie strzałki. Niebieska – zwrócona do góry, podpisana „F_r”. Czerwona – zwrócona w dół, podpisana „Q”. Od brzegu górnej płytki do dolnej płyty poprowadzono zieloną strzałkę, prostopadłą do płytek. Strzałka podpisana „F_n”. Cała szalka sprężynowa znajduje się w przezroczystym prostopadłościanie o ciemnoszarych brzegach. Po lewej stronie prostopadłościanu narysowano strzałkę zwróconą do dołu, prostopadłą do podłoża. Obok strzałki znajduje się litra „a” z małą strzałką nad literą, równoległą do podłożona, zwróconą w prawo. Na dole ilustracji wielka litera „E”.

Skoro ruch odbywa się z przyspieszeniem $a$ w dół, to zgodnie z $\mathrm{II}$ zasadą dynamiki siła wypadkowa będzie zwrócona w dół.

Oznacza to, że $m·a=Q-F_r$, a siła $F_r=Q-m·a$, zatem siła nacisku $F_n=Q-m·a$. Im większe przyspieszenie osiągnie nasza winda podczas jazdy w dół, tym mniejsze będą wskazania wagi. Uzyskamy wtedy stan niedociążenia. Działające siły przedstawiono na rysunku $E$.

Powyższe równania pokazują nam, że siła nacisku może być równa zero. Stanie się to, gdy $Q$ będzie równe $m·a$.

Pod wpływem sił grawitacji spadające swobodniespadanie swobodnespadające swobodnie ciała uzyskują przyspieszenie zwane przyspieszeniem grawitacyjnym: $g=\frac{F_{\mathrm{grawitacji}}}{m}$ (zgodnie z $\mathrm{II}$ zasadą dynamiki). Siła grawitacji $Q=m·g$, co oznacza, że siła nacisku na podłoże będzie równa zero, gdy $Q=m·g=m·a$.

Co się dzieje wtedy z windą? Spada ona z przyspieszeniem równym grawitacyjnemu. Jak widać, umiesz już osiągać stan braku nacisku na podłoże – właśnie taki stan nazywamy stanem nieważkości. A jak do windy ma się stacja kosmiczna? Przede wszystkim nasza winda może poruszać się nie tylko pionowo, lecz także poziomo; torem będzie wówczas krzywa zwana parabolą. Po takich parabolach poruszają się samoloty, w których na krótko osiągany jest stan nieważkości. Na stację kosmiczną i na kosmonautę działają siły grawitacji zależne od ich masy, ale przyspieszenia grawitacyjne są jednakowe. Stacja i kosmonauta „spadają” z jednakowym przyspieszeniem, a jednocześnie poruszają się po okręgu. Efektem jest brak wzajemnego nacisku, a zatem stan nieważkości.

Satelity i sondy naukowe

Zapewne wszyscy z was słyszeli o teleskopie kosmicznym Hubble’a. Jego nazwa pochodzi od nazwiska Edwina Hubble’a – odkrywcy rozszerzania się Wszechświata. To nie jedyne takie urządzenie. Dlaczego wysyłamy teleskopy na orbitę? Głównym powodem jest niekorzystny wpływ ziemskiej atmosfery na przeprowadzane obserwacje. Niektóre rodzaje promieniowania są przez nią niemal całkowicie pochłaniane, co uniemożliwia badanie pewnych obiektów i wielu interesujących zjawisk.

Teleskop Hubble'a (Hubble Space Telescope – HST) został wyniesiony na orbitę okołoziemską w $1990$ r. Obiega Ziemię w niespełna $97$ minut. Powstał dzięki współpracy dwóch agencji astronomicznych – amerykańskiej NASA i europejskiej ESA. Naprawy tego teleskopu odbywają się w przestrzeni kosmicznej, a dokonują ich kosmonauci. Teleskop Hubble'a dostarcza ciekawego materiału badawczego dla astronomów.

RzaCURUQUG4Xr

Zdjęcie przedstawia Kosmiczny Teleskop Hubble'a w przestrzeni kosmicznej. Teleskop ma w przybliżeniu kształt srebrnego walca, jest ułożony poziomo. U góry i u dołu tego walca widoczne są czarne panele słoneczne. W tle widoczne są fragment Ziemi i czerń kosmosu.

Teleskop kosmiczny Chandra (jego nazwa pochodzi od nazwiska Subrahamanyana Chandrasekhara – hinduskiego fizyka pracującego w USA). Wystrzelony w $1999$ r., krąży po okołoziemskiej orbicie eliptycznej, której apogeum znajduje się w odległości prawie $129000 \mathrm{km}$ od środka Ziemi, a perygeum – ok. $20000 \mathrm{km}$ od środka Ziemi. Teleskop ten rejestruje źródła promieniowania rentgenowskiego – promieniowanie to pozwala na obserwacje białych karłów, gwiazd neutronowych i czarnych dziur.

Zakres promieniowania podczerwonego jest badany za pomocą teleskopu kosmicznego Spitzera. Teleskop ten został umieszczony na orbicie okołosłonecznej. Porusza się po tej samej orbicie co Ziemia – podąża za nią w pewnej odległości.

Aby szukać planet poza Układem Słonecznym, zbudowano teleskop Keplera i w $2009$ r. umieszczono go na orbicie okołosłonecznej. W wyniku awarii zakończył on swoją misję w $2013$ r.

Kosmiczne Obserwatorium Herschela, w skrócie nazywane Herschel to z kolei teleskop Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Jest przeznaczony do prowadzenia obserwacji astronomicznych dalekiej podczerwieni i fal submilimetrowych. Obserwatorium zostało wyniesione na orbitę wokół punktu $L_2$punkt libracyjny (punkt $L_2$)punktu $L_2$ (punkt Lagrange’a) $14$ maja $2009$ r. Jest to punkt układu Ziemia – Słońce, znajdujący się w odległości ok. $1,5 \mathrm{mln}km$ od Ziemi. Głównym zadaniem Herschela były obserwacja procesu powstawania galaktyk i ich ewolucji oraz badanie powstawania gwiazd. Zwierciadło tego teleskopu ma średnicę $3,5 \mathrm{m}$. Razem z Kosmiczym Obserwatorium Herschela został wystrzelony satelita Planck – jego zadaniem był pomiar nieregularności rozkładu promieniowania mikrofalowego pochodzącego z kosmosu.

Dnia $\mathrm{25.12.2021}$ r. wystrzelono następcę teleskopu Hubble'a – teleskop Webba. Ma on $2,5$ raza większą średnicę zwierciadła niż teleskop Hubble'a i bada głównie obszar podczerwieni.

Budowa teleskopów kosmicznych to jedno z najbardziej skomplikowanych zadań współczesnej nauki. Taki satelita porusza się z prędkością kilku kilometrów na sekundę po zakrzywionych orbitach, a teleskop musi przez kilka godzin być skierowany w jeden punkt nieba. Ze względu ma metodę pomiarów aparatura musi być utrzymywana w temperaturze niewiele większej od zera absolutnego.
Co nam daje użycie tak wielu różnych teleskopów? Popatrzmy na dwa zdjęcia umieszczone niżej.

RqpY8ADDfmd0B

Zdjęcie przedstawia mgławicę na czarnym tle. Mgławica ma w przybliżeniu kształt okręgu, który nie domyka się z prawej strony. Składa się z włókien w kolorze różu indyjskiego, który w niektórych miejscach przechodzi w odcienie trawiastej zieleni. Najwięcej włókien znajduje się w górnej części mgławicy, w lewej dolnej części są najciemniejsze zaś u dołu obiektu znowu jaśnieją i tworzą kształt łuku. Cały kadr wypełniają białe gwiazdy.

Powyższe zdjęcie zostało wykonane przez teleskop kosmiczny Hubble’a i przedstawia obiekt Cassiopeia A. Silne źródło fal radiowych w gwiazdozbiorze Kasjopei jest pozostałością po wybuchu gwiazdy. Rozmiary tej mgławicy przekraczają $10$ lat świetlnych. Złożenie zdjęć wykonanych przez inne teleskopy kosmiczne daje znacznie ciekawsze informacje.

REoLdinkYkGK7

Obraz przedstawia w przybliżeniu kolistą mgławicę na czarnym tle. Mgławica jest bardzo kolorowa, w środku składa się głównie z niebieskich włókien. W lewej i bardziej zewnętrznej części obiektu są one gęstsze i przybierają odcień chłodnej zieleni. W tym samym miejscu przenikają je złote włókna, są też obecne w dolnej krawędzi mgławicy oraz w bardzo dużej ilości w jej górnej części, gdzie są drobniejsze. Na dole mieszają się z kolorem czerwonym. Całość jest otoczona słabą niebieskawą otoczką. U góry mgławicy, między niebieską otoczką i złotymi włóknami, widoczne jest jest sporo czerwieni. Cały kadr jest wypełniony żółtymi gwiazdami.

Zdjęcie wykonane powyżej zostało złożone ze zdjęć wykonanych przez różne teleskopy; na zdjęciu powyżej kolor czerwony to zdjęcie z teleskopu Spitzer, pomarańczowy – teleskopu Hubble'a, a niebieski – z teleskopu Chandra. Wiadomo już, że rozszerzająca się mgławica ma temperaturę $30 \mathrm{mln}K$ i przemieszcza się z prędkością $10000\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$. Teleskop kosmiczny Chandra odkrył w centrum mgławicy obiekt o bardzo małych rozmiarach i temperaturze nieco powyżej $2 \mathrm{mln} \mathrm{K}$ – przypuszczalnie jest to gwiazda neutronowa.

Przedstawiliśmy krótką listę satelitów służących człowiekowi – są jeszcze satelity meteorologiczne, stacje kosmiczne badające inne planety, a nawet lądujące na ich powierzchniach. Niektóre z tych obiektów opuściły już Układ Słoneczny i zmierzają w stronę gwiazd.

Podsumowanie

• Satelity, czyli ciała krążące wokół Ziemi, innych planet lub Słońca, mają różnorodne zastosowanie – od naukowego po komercyjne (telekomunikacja, audycje radiowe i telewizyjne). Niektóre satelity są przeznaczone do celów wojskowych lub wywiadowczych.

• Satelity pozwalają na obserwację zjawisk niedostępnych z powierzchni Ziemi albo na zbieranie doświadczeń związanych z długim pobytem człowieka w stanie nieważkości.

• Gdy rakieta porusza się pionowo w górę z określonym przyspieszeniem (np. podczas startu), doznaje przeciążenia. Oznacza to zwiększony nacisk na fotele, na których leżą kosmonauci. Siła, z jaką oni naciskają na siedzenia, jest wielokrotnie większa od ciężaru astronautów:
  $F_n=Q+m·a$
  gdzie: $F_n$ – siła nacisku; $Q$ – siła grawitacji; $a$ – przyspieszenie, z jakim porusza się rakieta podczas startu.

• Ciało poruszające się pionowo w dół (np. w windzie) z pewnym przyspieszeniem różnym od przyspieszenia grawitacyjnego znajduje się w stanie niedociążenia. Ciężar pozorny takiego ciała jest mniejszy od ciężaru mierzonego w stanie spoczynku. Wartość siły nacisku na podłoże jest równa $F_n=Q–m·a$. Gdy winda, w której znajduje się ciało, spada swobodnie, mamy do czynienia ze stanem nieważkości. Oznacza to brak wzajemnego nacisku ciała i windy.

• W pojeździe kosmicznym poruszającym się tylko pod wpływem siły grawitacji (bez włączonych silników) panuje stan nieważkości. Wynika on z tego, że zarówno pojazd, jak i jego załoga doznają jednakowych przyspieszeń i dlatego te ciała na siebie nie naciskają.

Zadania

Słownik