Космічні відстані слабо піддаються виміру у звичайних метрах та кілометрах, тому астрономи використовують у своїй роботі інші фізичні одиниці. Одна з них має назву світловий рік.
Багато любителів фантастики добре знайомі з цим поняттям, оскільки воно часто зустрічається у фільмах та книгах. Але не кожен знає, чому дорівнює світловий рік, а деякі взагалі думають, що він аналогічний звичайному річному обчисленню часу.
Що таке світловий рік?
Насправді світловий рік – це тимчасова одиниця, як можна було б припустити, а одиниця довжини, застосовувана в астрономії. Під нею розуміють відстань, яка долається світлом за один рік.
Зазвичай її застосовують у астрономічних підручниках чи науково-популярної фантастиці визначення довжин у межах Сонячної системи. Для більш точних математичних розрахунків або виміру відстаней у Всесвіті за основу беруть іншу одиницю – .
Поява світлового року в астрономії була пов'язана з розвитком зоряних наук та необхідністю використовувати параметри, які можна порівняти з масштабами космосу. Поняття ввели через кілька років після першого успішного виміру відстані від Сонця до зірки 61 Лебедя у 1838 році. 
Спочатку світловим роком називали відстань, що проходить світлом за один тропічний рік, тобто за відрізок часу, що дорівнює повному циклу зміни сезонів. Проте з 1984-го за основу стали брати юліанський рік (365,25 дня), внаслідок чого виміри стали точнішими.
Як визначається швидкість світла?
Щоб розрахувати світловий рік, дослідникам довелося спочатку визначити швидкість світла. Колись астрономи вважали, що поширення променів у космосі відбувається миттєво, але в XVII столітті такий висновок почав викликати сумніви.
Перші спроби зробити розрахунки зробив Галілео Галлілей, який вирішив вирахувати час, за який світло долає 8 км. Його дослідження не мали успіху. Розрахувати приблизну величину вдалося Джеймсу Бредлі в 1728, який визначив значення швидкості в 301 тисячу км/с.
Яка швидкість світла?
Незважаючи на те, що Бредлі зробив досить вірні розрахунки, визначити точну швидкість змогли лише в XX столітті, використовуючи сучасні лазерні технології. Досконале обладнання дозволило зробити розрахунки з поправкою на коефіцієнт заломлення променів, у результаті ця величина становила 299 792,458 кілометрів на секунду. 
Цими цифрами астрономи оперують досі. Надалі нехитрі обчислення допомогли з точністю встановити час, який променям необхідно на обліт орбіти земної кулі без на них гравітаційних полів.
Хоча швидкість світла не можна порівняти із земними відстанями, її використання при обчисленнях пояснюється тим, що люди звикли мислити «земними» категоріями.
Чому дорівнює світловий рік?
Якщо взяти до уваги, що світлова секунда дорівнює 299792458 метрів, легко підрахувати, що за хвилину світло долає 17987547480 метрів. Як правило, ці дані астрофізики застосовують для вимірювання відстаней усередині планетарних систем.
Для вивчення небесних тіл у масштабах Всесвіту набагато зручніше брати за основу світловий рік, що дорівнює 9,460 трлн кілометрів або 0,306 парсек. Спостереження за космічними тілами є єдиним випадком, коли людина може на власні очі бачити минуле.
Щоб світло, що випускається якоюсь далекою зіркою, досягло Землі, потрібно багато років. З цієї причини, спостерігаючи за космічними об'єктами, ви бачимо їх не такими, якими вони є в даний момент, а якими вони були на момент випромінювання світла.
Приклади відстаней у світлових роках
Завдяки можливості обчислювати швидкість руху променів, астрономи зуміли обчислити відстань у світлових роках багатьох небесних тіл. Так, відстань від нашої планети до Місяця становить 1,3 світлових секунди, до Проксиму Центавра – 4,2 світлових років, до туманності Андромеди – 2,5 мільйона світлових років. 
Відстань між Сонцем та центром нашої галактики промені проходять приблизно за 26 тисяч світлових років, а між Сонцем та планетою Плутон – за 5 світлових годин.
22 лютого 2017 року NASA повідомило, що у одиночної зірки TRAPPIST-1 знайдено 7 екзопланет. Три з них знаходяться в тому діапазоні відстаней від зірки, в якому планета може мати рідку воду, а вода - це ключова умова для життя. Повідомляється також, що дана зіркова система знаходиться на відстані 40 світлових років від Землі.
Це повідомлення наробило багато галасу у ЗМІ, декому навіть здалося, що людство знаходиться за крок від будівництва нових поселень біля нової зірки, але це не так. Але 40 світлових років - це багато, це багато, це занадто багато кілометрів, тобто це жахливо колосальна відстань!
З курсу фізики відома третя космічна швидкість - це така швидкість, яку має мати тіло біля Землі, щоб вийти межі Сонячної системи. Значення цієї швидкості дорівнює 16,65 км/сек. Звичайні орбітальні космічні кораблі стартують зі швидкістю 7,9 км/сек і обертаються навколо Землі. В принципі, швидкість в 16-20 км/сек є цілком доступною сучасним земним технологіям, але не більше!
Людство ще навчилося розганяти космічні кораблі швидше, ніж 20 км/сек.
Розрахуємо, скільки років знадобиться зорельоту, що летить зі швидкістю 20 км/сек, щоб подолати 40 світлових років і досягти зірки TRAPPIST-1.
Один світловий рік – це відстань, яка проходить промінь світла у вакуумі, а швидкість світла дорівнює приблизно 300 тис. км/сек.
Космічний корабель, зроблений руками людей, летить зі швидкістю в 20 км/сек, тобто в 15000 разів повільніше за швидкість світла. 40 світлових років такий корабель подолає за час, що дорівнює 40*15000=600000 років!
Земний корабель (за сучасного рівня технології) долетить до зірки TRAPPIST-1 приблизно за 600 тис. років! Людина розумна існує на Землі (на думку вчених) всього 35-40 тис. років, а тут цілих 600 тис. років!
Найближчим часом технології не дозволять людині досягти зірки TRAPPIST-1. Навіть перспективні двигуни (іонні, фотонні, космічні вітрила і т.д.), яких немає в земній реальності, оціночно можуть розігнати корабель до швидкості в 10000 км/сек, а значить, час польоту до системи TRAPPIST-1 скоротиться до 120 років . Це вже більш-менш прийнятний час для польоту за допомогою анабіозу або кількох поколінь переселенців, але на сьогоднішній день усі ці двигуни – фантастика.
Навіть найближчі зірки поки що надто далекі від людей, надто далекі, не кажучи вже про зірки нашої Галактики чи інші галактики.
Діаметр нашої галактики Чумацький Шлях становить приблизно 100 тис. світлових років, тобто шлях з кінця в кінець для сучасного земного корабля становитиме 1,5 млрд. років! Наука передбачає, що Землі 4,5 млрд. років, а багатоклітинного життя приблизно 2 млрд. років. Відстань до найближчої до нас галактики – Туманності Андромеди – 2,5 млн. світлових років від Землі – які жахливі відстані!
Як видно, з усіх людей, що нині живуть, ніхто і ніколи не ступить ногою на землю планети у іншої зірки.
Напевно, почувши в якомусь фантастичному бойовику вираз а-ля «до Татуїна двадцять. світлових років», багато хто ставився закономірними питаннями. Озвучу деякі з них:
Хіба рік це не час?
Тоді що ж таке світловий рік?
Скільки у ньому кілометрів?
За скільки подолає світловий ріккосмічний корабель з Землі?
Сьогоднішню статтю я вирішив присвятити поясненню значення цієї одиниці виміру, порівнянню її з нашими звичними кілометрами та демонстрації масштабів, якими оперує Всесвіт.
Віртуальний гонщик.
Уявімо собі людину, порушуючи всі правила, що несеться по шосе зі швидкістю 250 км/год. За дві години він подолає 500 км, а за чотири – цілих 1000. Якщо, звичайно, не розіб'ється у процесі…
Здавалося б, ось це швидкість! Але для того, щоб обігнути всю земну кулю (≈ 40 000 км), нашому гонщику знадобиться в 40 разів більше часу. А це вже 4х40 = 160 годин. Або майже цілий тиждень безперервної їзди!
У результаті, однак, ми не скажемо, що він подолав 40 000 000 метрів. Так як лінь завжди змушувала нас вигадувати і використовувати коротші альтернативні одиниці виміру.
Межа.
Зі шкільного курсу фізики кожному має бути відомо, що найшвидший їздок у Всесвіту- Світло. За одну секунду його промінь долає відстань приблизно 300 000 км, а земна куля, таким чином, вона обігне за 0,134 секунди. Це в 4298507 разів швидше, ніж наш віртуальний гонщик!
Від Землідо Місяцясвітло доходить у середньому за 1,25 с, до Сонцяа його промінь домчить трохи більше, ніж за 8 хвилин.
Колосально, чи не так? Адже поки що не доведено існування швидкостей, більших швидкості світла. Тому вчений світ вирішив, що логічно вимірюватиме космічні масштаби в одиницях, які за певні інтервали часу проходить радіохвиля (яке світло, зокрема, і є).
Відстань.
Таким чином, світловий рік- ні що інше, як відстань, яку промінь світла долає за один рік. У міжзоряних масштабах використовувати одиниці відстані, менші за цю, не має особливого сенсу. І все-таки вони є. Ось їх наближені значення:
1 світлова секунда - 300 000 км;
1 світлова хвилина ≈ 18000000 км;
1 світлова година ≈ 1080000000 км;
1 світлова доба ≈ 26 000 000 000 км;
1 світловий тиждень ≈ 181 000 000 000 км;
1 світловий місяць ≈ 790 000 000 000 км.
А тепер, щоб ви розуміли, звідки беруться цифри, обчислимо, до чого дорівнює один світловий рік.
У році 365 діб, на добу 24 години, у годині 60 хвилин, а в хвилині 60 секунд. Таким чином, рік складається з 365 х 24 х 60 х 60 = 31536000 секунд. За секунду світло проходить 300 000 км. Отже, протягом року його промінь подолає відстань 31 536 000 x 300 000 = 9 460 800 000 000 км.
Це число читається так: Дев'ять трильйонів, чотириста шістдесят мільярдів і вісімсот мільйонівкілометрів.
Звичайно, точне значення світлового рокутрохи відрізняється від обчисленого нами. Але при описі відстаней до зірок у науково-популярних статтях найвища точність у принципі не потрібна, і сотня-друга мільйонів кілометрів тут особливої ролі не зіграють.
А тепер продовжимо наші мисленні експерименти…
Масштаби.
Припустимо, що сучасний космічний корабельзалишає Сонячну системуіз третьою космічною швидкістю (≈ 16,7 км/с). Перший світловий ріквін подолає за 18 000 років!
4,36 світлових роківдо найближчої до нас зіркової системи ( Альфи Центавра, див. зображення на початку) він подолає приблизно за 78 тисяч років!
Нашу галактику Чумацький Шлях, що має в діаметрі приблизно 100 000 світлових років, він перетне за 1 млрд. 780 млн. років.
А до найближчої до нас великої галактики, космічний корабельдомчиться лише через 36 мільярдів років.
Ось такі пироги. Адже в теорії навіть Всесвітвиникла лише 16 млрд. років тому…
І на останок…
Космічним масштабам можна почати дивуватися навіть не виходячи за межі Сонячна системаадже вона сама по собі дуже велика. Дуже добре і наочно це показали, наприклад, творці проекту If the Moon булиonly 1 pixel (Якби Місяць був лише одним пікселем): http://joshworth.com/dev/pixelspace/pixelspace_solarsystem.html .
На цьому я, мабуть, завершу цю статтю. Всі ваші запитання, зауваження та побажання радий вітати у коментарях під нею.
Діліться нашими статтями!
Світловий рік
Під час досліджень своєї планети людям були потрібні різні заходи вимірювання відстаней та відрізків. Спочатку заходи довжини були неточними, тому що різні народи мали свої способи вимірювання. Тільки в 1791 році вчені з Франції ввели міру, яку використовують і донині – метр (від грецької – «захід»).
Але на початку ХХ століття люди почали звертати увагу на вивчення космосу. І те, що Всесвіт має неймовірні відстані, вже існуюча метрична система виявилася непридатною для вимірювання таких великих відстаней. Є можливість виміряти за кілометри відстань від нашої планети до Місяця або до Марса, проте якщо вимірювати відстані до інших планет, а то й зірок, то в цифрі буде неймовірна кількість нулів.
І тоді вчені вирішили запровадити термін «світлові роки».
Світлові роки – це скільки?
Протягом однієї секунди фотони світла долає довжину 300 тисяч км. Світловий рік – та кількість кілометрів, яка світло пролітає за 12 місяців. У кілометрах це буде - 9460730472580,8 кілометрів ≈ 9,46 1015.
Звичайно, використання терміну «світлові роки» зручніше, ніж використовувати величезні кілометри. Але, звичайно ж, є приблизні значення:
1 світлова секунда - 300 тисяч кілометрів.
1 світлова хвилина - 18 мільйонів кілометрів.
1 світлова година ≈ 1080000000 кілометрів.
1 світлова доба ≈ 26 000 000 000 кілометрів.
1 світловий тиждень ≈ 181 000 000 000 кілометрів.
1 світловий місяць ≈ 790 000 000 000 км.
Наскільки багато?
Припускаємо, що космічний корабель летить із третьою космічною швидкістю (близько 16.8 кілометрів за секунду), то за 18 тисяч років корабель пролетить один світловий рік. А нашу галактику Чумацький Шлях, який діаметром близько ста тисяч світлових років, корабель пролетить за майже 2 мільярди років!
Найближча до Сонця зірка – це Проксима Центавра. Вона знаходиться на відстані близько чотирьох світлових років. Якщо перераховувати на кілометри, то цифра виходить дуже великою.
Але якщо порівнювати відстань від Проксима Центаври до найближчої галактики Туманності Андромеди, то зірка виявляється дуже близькою, оскільки Андромеда знаходиться за два з половиною мільйони світлових років від Чумацького Шляху. Космічний корабель зможе туди долетіти за 35 мільярдів років.
Чим ще корисні світлові роки?
Використання світлових років допомагає розуміти, де у Всесвіті можна спробувати знайти розумні цивілізації. Так вчені визначаються, куди є сенс надсилати радіосигнали, а куди ні.
Як це працює: швидкість світла дорівнює швидкості радіосигналу, і виходить, що відправляти повідомлення туди, куди вони дійдуть через тисячі, а то й мільярди років, марно. Є сенс шукати «сусідів» через сигнал, який посилатиметься хоча б протягом одного людського життя.
Скільки земних років у світлових роках?
Це докорінно невірне переконання, що цей термін вимірює час. Світловий рік не відноситься до земного часу і не пов'язаний з ним. Він позначає лише міру виміру відстаней, що проходить світлом протягом 1 року Землі.
Галактичні масштаби відстаней
Світловий рік ( св. м., ly) - позасистемна одиниця довжини, що дорівнює відстані, що проходить світлом за один рік.
Більш точно, за визначенням Міжнародного астрономічного союзу (МАС) світловий рік дорівнює відстані, яка світло проходить у вакуумі, не відчуваючи впливу гравітаційних полів, за один юліанський рік (рівний за визначенням 365,25 стандартної доби по 86 400 секунд СІ, або 31 557 600 секунд). Саме це визначення рекомендоване для використання у науково-популярній літературі. У професійній літературі для вираження великих відстаней замість світлового року зазвичай використовуються парсеки та кратні одиниці (кіло- та мегапарсеки).
Раніше (до 1984 року) світловим роком називалася відстань, що проходить світлом за один тропічний рік, віднесений до епохи 1900,0. Нове визначення відрізняється від старого приблизно 0,002 %. Так як дана одиниця відстані не використовується для високоточних вимірювань, практичної різниці між старим і новим визначеннями немає.
Числові значення
Світловий рік дорівнює:
- 9 460 730 472 580 800 метрів (приблизно 9,46 петаметрів)
- 63 241,077 астрономічної одиниці (а. е.)
- 0,306 601 парсека
Пов'язані одиниці
Нижченаведені одиниці використовуються досить рідко, зазвичай лише в популярних публікаціях:
- 1 світлова секунда = 299 792,458 км (точно)
- 1 світлова хвилина ≈ 18 млн км
- 1 світлова година ≈ 1079 млн км
- 1 світлова доба ≈ 26 млрд км
- 1 світловий тиждень ≈ 181 млрд км
- 1 світловий місяць ≈ 790 млрд км
Відстань у світлових роках
Світловий рік зручний для якісного уявлення масштабів відстані в астрономії.
| Масштаб | Значення (св. років) | Опис |
|---|---|---|
| Секунди | 4·10 −8 | Середня відстань приблизно дорівнює 380 000 км. Це означає, що променю світла, випущеному з поверхні, потрібно близько 1,3 секунди, щоб досягти поверхні Місяця. |
| Хвилини | 1,6·10 −5 | Одна астрономічна одиниця дорівнює приблизно 150 мільйонам кілометрів. Таким чином, світло доходить від Землі приблизно за 500 секунд (8 хвилин 20 секунд). |
| Годинник | 0,0006 | Середня відстань від Сонця приблизно дорівнює 5 світловим годинникам. |
| 0,0016 | Апарати серій «Піонер» і, що летять за межі, приблизно за 30 років, що пройшли після запуску, пішли на відстань близько ста астрономічних одиниць від Сонця, і час їхнього відгуку на запити із Землі приблизно дорівнює 14 годин. | |
| Рік | 1,6 | Внутрішній край гіпотетичного розташований у 50 000 а. е. від Сонця, а зовнішній - в 100 000 а. е. Щоб подолати відстань від Сонця до зовнішнього краю хмари, світлу знадобиться близько півтора року. |
| 2,0 | Максимальний радіус області гравітаційного впливу Сонця («Сфери Хілла») – приблизно 125 000 а. е. | |
| 4,2 | Найближча до нас (не рахуючи Сонця), Проксима Центавра, розташована на відстані 4,2 св. року. | |
| Тисячоліття | 26 000 | Центр нашої Галактики знаходиться на відстані приблизно 26 000 світлових років від Сонця. |
| 100 000 | Діаметр диска нашого – 100 000 світлових років. | |
| Мільйони років | 2,5·10 6 | Найближча до нас M31, знаменита, віддалена від нас на 2,5 млн світлових років. |
| 3,14·10 6 | (M33) знаходиться в 3,14 млн світлових років від нас і є найбільш віддаленим стаціонарним об'єктом, видимим неозброєним оком. | |
| 5,8·10 7 | Найближче, скупчення Діви, віддалено від нас на 58 мільйонів світлових років. | |
| Десятки мільйонів світлових років | Характерний розмір скупчень галактик діаметром. | |
| 1,5 · 10 8 - 2,5 · 10 8 | Гравітаційна аномалія «Великий атрактор» знаходиться на відстані 150-250 мільйонів світлових років від нас. | |
| Мільярди років | 1,2·10 9 | Велика стіна Слоуна - одне з найбільших утворень, розміри її близько 350 Мпк. Щоб світло подолало її з кінця в кінець, потрібно близько мільярда років. |
| 1,4·10 10 | Розмір причинно-пов'язаної області Всесвіту. Обчислюється із віку Всесвіту та максимальної швидкості передачі інформації - швидкості світла. | |
| 4,57 · 10 10 | Супутня відстань від Землі до краю Всесвіту, що спостерігається в будь-якому напрямку; супутній радіус Всесвіту (в рамках стандартної космологічної моделі Лямбда-CDM). |
