Astronomia
Astronomia, opisując ciała niebieskie, pomaga nam jednocześnie poznać przeszłość wszechświata. Patrząc na odległe galaktyki, patrzymy w przeszłość.
Wcześni astronomowie obserwowali niebo nieuzbrojonym okiem. W spółcześni badacze nieba dysponują potężnymi teleskopami pracującymi zarówno w zakresie widzialnym widma elektromagnetycznego, jak i w zakresie fal radiowych, bądź też innych (np. promieniowanie rentgenowskie). Wszystkie te rodzaje fal elektromagnetycznych rozchodzą się w przestrzeni kosmicznej z prędkością ok. 300000 km/s, jednak najdalsze z obserwowanych obiektów są oddalone od Ziemi tak bardzo, że dochodzące do nas dziś światło zostało z nich wyemitowane miliardy lat temu. To. co widzimy, mówi nam więc o ich wyglądzie w dalekiej przeszłości. Wiele z obserwowanych dziś gwiazd już na pewno nie istnieje, lecz fale świetlne wystartowały z nich bardzo dawno temu, gdy jeszcze świeciły pełnym blaskiem.
Początek
Dane, którymi dysponują współcześni astronomowie, wskazują, że wszechświat powstał biliony lat temu w wyniku tak zwanego Wielkiego Wybuchu. Pierwszymi pierwiastkami powstałymi po wybuchu były wodór i hel. Inne cięższe pierwiastki powstały z nich w gwiazdach w wyniku przemian jądrowych. W ten sposób i atomy pierwiastków, z których zbudowane są nasze ciała, narodziły się w gorących wnętrzach gwiazd, a więc i my jesteśmy dziećmi kosmosu.
Przesunięcie ku czerwieni
Studiując widma światła pochodzącego z danego obiektu kosmicznego, nieważne czy jest to gwiazda czy galaktyka, astronomowie mogą stwierdzić, z jakich pierwiastków jest on zbudowany. Potrafią rozdzielić fale świetlne na poszczególne barwy od fioletu do czerwieni i w ten sposób stwierdzić, jak zmienia się natężenie światła wraz z jego częstotliwością, czyli przeprowadzić analizę widmową obiektu. Każdy obecny w gwieździe pierwiastek wytwarza swoje charakterystyczne widmo i w ten sposób można go zidentyfikować. W świetle z najodleglejszych, słabo świecących galaktyk udaje się stwierdzić obecność widm charakterystycznych dla różnych pierwiastków, lecz maksima natężeń są w nich przesunięte na skali częstotliwości w kierunku czerwieni (dłuższe fale, niższe częstotliwości) w stosunku do widm tych samych pierwiastków otrzymanych w laboratoriach. Im ciało odleglejsze, tym owo przesunięcie jest większe. Za przesunięcia te. znane jako przesunięcie ku czerwieni, odpowiada ruch obserwowanych obiektów.
Astronomia
Wiele ciał niebieskich i zjawisk astronomicznych można obserwować gofym okiem. Ta wykonana w 1976 roku fotografia ukazuje kometę oraz meteoryt wpadający w atmosferę ziemską na tle gwiazd. Komety, niewielkie obiekty zbudowane z lodu i pyłu, okrążają Słońce, którego promieniowanie powoduje wyrzucanie cząstek z jądra komety pod postacią gazowego ogona. Meteoryty są niewielkimi okruchami materii kosmicznej, okrążającymi Słońce po orbitach przecinających się z orbitą Ziemi.
Diagram Hubble'a wziął swą nazwę od nazwiska astronoma Edwina Hubble'a. Spektra gwiazd są przesunięte ku czerwieni o wielkość zależną od prędkości, z jaką poruszają się. Największymi przesunięciami ku czerwieni charakteryzują się obiekty najodleglejsze, które poruszają się najszybciej i są najstarszymi obiektami wszechświata.
Widmo kwazara. Linia emisyjna wodoru w warunkach laboratoryjnych występuje w nadfiolecie, tutaj, dzięki przesunięciu ku czerwieni, widzimy ją jako zielono-żółtą.
Mgławica to obłok gazów i pyłu, z którego powstają gwiazdy. Widoczny tutaj obiekt M57, zwany umownie mgławicą, w rzeczywistości nią nie jest. Prawdopodobnie tworzy go świecący materiał wyrzucony z umierającej gwiazdy.
Gdy mija nas szybko jadący samochód, to wydawany przez niego dźwięk zmienia się raptownie na niższy. Dzieje się tak, gdyż fala emitowana przez jadący w naszym kierunku samochód jest odbierana przez nas jako krótsza, niż jest w rzeczywistości. Gdy samochód oddala się, fala dobiegająca wydaje się być dłuższą, niż jest naprawdę. Zjawisko to nazywane jest efektem Dopplera. Efekt Dopplera tłumaczy także przesunięcie ku czerwieni promieniowania pochodzącego z odległych galaktyk. Zjawisko to pozwala przypuszczać, że gwiazdy wciąż się od nas oddalają. Jest więc ono uważane za dowód na ciągłą ekspansję wszechświata.
Obliczenia wskazują, że Wielki Wybuch nastąpił jakieś 10 do 20 miliardów lat temu. Materia rozrzucona w jego wyniku zaczęła się stopniowo gromadzić w gigantyczne chmury pyłu i gazów zwane
mgławicami. Z materii w nich zgromadzonej zaczęły w końcu powstawać gwiazdy. Grawitacja spowodowała, że gwiazdy zaczęły grupować się w galaktyki: spiralne, eliptyczne i nieregularne. Słońce jest jedną ze 100 bilionów gwiazd, z których zbudowana jest nasza Galaktyka, mająca kształt spirali. Nagromadzenie gwiazd w jednej płaszczyźnie powoduje, że na nocnym niebie widoczny jest jasny, szeroki pas - Droga Mleczna.
Ilość galaktyk we wszechświecie szacuje się na około 1 miliarda i większość z nich jest zgrupowana w gromady. Droga Mleczna jest częścią niewielkiej, liczącej 24 galaktyki, gromady, zwanej Grupą Lokalną. Niektóre z gromad zawierają tysiące galaktyk.
Każda z tej ogromnej liczby Galaktyk składa się z jeszcze większej liczby gwiazd, co czyni prawdopodobnym przypuszczenie, że nie jesteśmy we wszechświecie samotni. Niektóre gwiazdy mogą, podobnie jak Słońce, posiadać układy planetarne (niedawno odkryto pierwszy taki układ), a na niektórych z tych planet mogą istnieć warunki umożliwiające powstanie życia. Niektórzy astronomowie przeczesują Kosmos w poszukiwaniu sygnałów radiowych zawierających jakąś kodowaną wiadomość, która mogłaby oznaczać, że gdzieś rozwinęły się inteligentne formy życia. Jak dotąd nie znaleziono niczego. Pamiętajmy, że może się zdarzyć, że wysłane skądś sygnały dotrą do Ziemi w miliony lat po wyemitowaniu, gdy może nie być śladu po cywilizacji, która je nadała.
Pulsary i kwazary
W 1967 roku Jocelyn Bell, panią astronom z Cambridge, zaskoczyły odbierane z kosmosu regularne impulsy radiowe. Z początku uwierzyła, że są to fale radiowe wysłane przez jakąś pozaziemską cywilizację, lecz wkrótce zdała sobie sprawę, że ich źródłem jest
obiekt nazwany później pulsarem. Od tego czasu zidentyfikowano wiele takich ciał niebieskich. Emitują one fale radiowe w postaci silnej wiązki, która dociera do nas z częstotliwością równą częstotliwości obracania się gwiazdy dookoła własnej osi.
Innymi tajemniczymi obiektami wysyłającymi promieniowanie radiowe są kwazary. Niektóre z nich emitują również światło. Pochodzące od nich promieniowanie charakteryzuje się wyjątkowo dużym przesunięciem ku czerwieni, co wskazywałoby, że oddalają się one od Ziemi z prędkością około 90% prędkości światła i są najodleglejszymi obserwowanymi obiektami wszechświata.
Jednakże kwazary wyglądają na obiekty zbyt jasne jak na taką odległość od nas. Albo coś powoduje, że świecą nadzwyczaj jasno, albo znajdują się one znacznie bliżej nas, niż wskazywałaby analiza widmowa ich promieniowania. Nikt nie jest pewien, czym naprawdę są kwazary, lecz istnieją astronomowie przekonani, że obiekty te znajdują się w naszej Galaktyce.
Paraboliczna antena radioteleskopu wytapuje sygnały radiowe emitowane przez gwiazdy i inne odległe obiekty.
rzyjmuje się, że wszechświat powstał na skutek wielkiej eksplozji. Rozszerza się on do dziś.
Diagram ukazujący widok naszej Galaktyki z boku. Składa się ona z jądra oraz spiralnie skręconych ramion. Dookoła centrum Galaktyki znajduje się ok. 200 kulistych grup gwiazd, obiektów znacznie mniejszych od galaktyki.
Widok części Drogi Mlecznej. Świecące, lekko czerwone obszary to chmury gazu, z którego powstawały gwiazdy. Biała smuga to satelita obiegający Ziemię, który pojawił się na niebie podczas wykonywania zdjęcia.
Rakiety
Rakiety początkowo zostały wymyślone jako broń. Dzisiaj potężne rakiety wynoszą w kosmos satelity, ludzi i przeróżne urządzenia. Jednakże rakiety przenoszące głowice nuklearne stanowią dziś jedno z poważniejszych zagrożeń dla większości ludzi na całym świecie.
Pierwsze rakiety wystrzelono około 800 lat temu. Na początku XII wieku Chińczycy użyli ich podczas walk z najazdem mongolskim. Chińskie rakiety z tamtego okresu były napędzane prochem strzelniczym, podobnie jak dzisiejsze ognie sztuczne. Umocowane do strzał lub włóczni były bronią skuteczną i przerażającą. Mongołowie byli pod wrażeniem tej nowej broni. Wspomożeni chińską technologią sami zaczęli używać rakiet w walkach w Europie i z Arabami. Ci ostatni przejęli umiejętność konstruowania rakiet i zaczęli ich używać w walce przeciwko chrześcijańskim królestwom w Ziemi Świętej. Z kolei francuscy krzyżowcy nauczyli się ich konstrukcji od Arabów, wprowadzając je na pola bitewne Europy.
Rakiety w Europie
W czasie walk o Orlean w roku 1429 wojska francuskie, dowodzone przez Joannę d'Arc używały rakiet. Jednakże wkrótce rakiety zniknęły z arsenałów wyparte przez celniejszą i skuteczniejszą broń palną.
Jk Rosyjski nauczyciel i konstruktor K. Ciołkowski przy pracy nad jednym ze swych modeli rakiet. Po wielu latach Ciołkowskiego nazwano „ojcem lotów kosmicznych".
Od XVI w. rakiet używano na pokazach ogni sztucznych, początkowo we Włoszech a wkrótce w całej Europie. Europejczycy przypomnieli sobie o rakietach jako broni pod koniec XVIII wieku. W 1792 r. oddziały brytyjskie walczące w Indiach zostały ostrzelane małymi rakietami obitymi blachą. Okazały się one bronią tak skuteczną, że pułkownik Congreve, dyrektor londyńskiego laboratorium Woolwicha, zdecydował wyprodukować broń rakietową dla armii brytyjskiej. Do 1804 r. stworzył z prostej rakiety broń o wielkiej jak na owe czasy sile rażenia wyposażoną w głowicę wybuchową bądź zapalającą. Niestety, celność rakiet znowu pozostawiała wiele do życzenia. Dopiero w 1844 r. udało się Williamowi Hale'owi znacznie ją poprawić stosując technikę stabilizacji ruchem obrotowym. Zakrzywione brzechwy w dyszy wylotowej powodowały obrót rakiety dookoła własnej osi podczas ruchu. Nadawało jej to stabilność, analogicznie jak w przypadku wirującego żyroskopu. Nieregularności w kształcie lub rozkładzie masy rakiet nie powodowały już dłużej ich zbaczania z kursu. Podobna technika stabilizacji lotu była używana od XV wieku dla broni palnej, a dla strzał i oszczepów już od czasów starożytnych.
Zasięg
W przypadku broni rakietowej podstawowym problemem zawsze był zasięg. Aby rakieta mogła polecieć dalej powinna być większa, aby pomieścić więcej prochu lub innego paliwa. To z kolei zwiększało masę rakiety czyniąc ją trudniejszą do napędzania i zasięg znowu był ograniczany.
Rozwiązanie tego problemu zostało wymyślone przez Francuza Freziera, a wprowadzone do użytku przez angielskiego pułkownika Boxera w 1855 roku. Chodziło otóż o połączenie razem dwóch rakiet, jedna za drugą. Gdy część tylna wypaliła już swoje paliwo, ładunek wybuchowy oddzielał część przednią, zapalając jednocześnie umieszczone w niej paliwo. Ta pierwsza rakieta wielostopniowa miała większy zasięg od rakiety jedno-stopniowej o takiej samej masie, gdyż tylko jej część miała dolecieć do celu.
Te ognie sztuczne (powyżej) zostały wyniesione w powietrze przez rakiety. Podobnie jak pociski rakietowe (poniżej), te fajerwerki napędzane są strumieniem gazów wyrzucanych przez dyszę.
Rakieta Tytan/ Centaur używana do wystrzeliwania próbników Viking na Marsa. Rakieta ta składa się z dwóch rakiet na paliwo stałe dołączonych do rakiety Tytan III i drugiego członu w postaci rakiety Centaur
Rosyjski nauczyciel i konstruktor K. Ciołkowski przy pracy nad jednym ze swych modeli rakiet. Po wielu latach Ciołkowskiego nazwano „ojcem lotów kosmicznych".
Rosjanin Konstanty Ciołkowski już w roku 1883 wykazał teoretycznie, że rakiety wielostopniowe są w stanie wynieść obiekty z Ziemi w przestrzeń kosmiczną. Ciołkowski, niedoceniany przez współczesnych, został przez następców nazwany „ojcem lotów kosmicznych".
Podczas I Wojny Światowej (1914-1918) Brytyjczycy używali prymitywnych pocisków rakietowych do zestrzeliwania niemieckich statków powietrznych. Po wojnie intensywne prace nad militarnym wykorzystaniem rakiet prowadzono w Związku Radzieckim. Wieloletnie badania przyniosły w roku 1936 efekt w postaci rakiet na paliwo ciekłe osiągających rekordowy pułap 5,6 km. W czasie II Wojny Światowej Rosjanie używali między innymi rakietowych pocisków powietrze-powietrze tzw. RS-ów oraz słynnych „katiusz", będących także pociskami rakietowymi. Niemieckim pionierem rakietnictwa był w latach 20-tych XX wieku Herman Oberth. Jego prace teoretyczne o rakietach na paliwo ciekłe zainspirowały grupę młodych inżynierów do stworzenia w 1927 r. Towarzystwa Lotów Kosmicznych. Rozwój faszyzmu w Niemczech zmusił członków do rozwiązania organizacji w 1934 r., lecz niektórzy z nich kontynuowali prace, tym razem za rządowe pieniądze, nad militarnym wykorzystaniem rakiet. Te prace stworzyły podwaliny pod niemieckie osiągnięcia na tym polu w czasie II Wojny Światowej. Czołowym niemieckim konstruktorem rakiet był w tym czasie Werner von Braun. Był on konstruktorem pierwszego rakietowego pocisku balistycznego V-2, używanego w końcowej fazie wojny do ostrzeliwania terytorium Wielkiej Brytanii.
Prace Amerykańskie
W USA prace nad rakietami prowadziła grupa entuzjastów pod kierownictwem fizyka Roberta Goddarda. Chociaż ograniczeni brakiem wsparcia finansowego jakiejkolwiek instytucji rządowej, osiągnęli oni pokaźne sukcesy, między innymi wystrzelili w 1926 r. pierwszą w świecie rakietę na paliwo ciekłe. Prace kontynuowano także po śmierci Goddarda w 1945 roku. Po wojnie USA i ZSRR uzyskały wgląd do niemieckiej technologii rakietowej. Od tego czasu broń rakietowa zaczęła zajmować coraz bardziej znaczące miejsce w arsenałach wielkich mocarstw. „Zimna Wojna" między ZSRR a państwami zachodnimi, z USA na czele, spowodowała w latach 50. rozwój między-kontynentalnych strategicznych pocisków rakietowych - nosicieli głowic nuklearnych.
Stany Zjednoczone zostały z początku nieco w tyle, czekając na skonstruowanie niewielkiej bomby wodorowej, która wymagałaby do przeniesienia nad terytorium przeciwnika mniejszej rakiety. Poza tym USA miały potężną flotę bombowców strategicznych rozmieszczonych w dogodnie położonych bazach wokół ZSRR. Rosjanie nie mieli baz blisko terytorium USA, musieli więc rozwijać technologię rakietową i budować duże rakiety mogące przenieść na wielkie odległości ciężkie głowice atomowe.
Radzieckie myśliwce przechwytujące MIG-25, wyposażone były w rakiety AA-6 zamontowane pod skrzydłami.
Pocisk samosterujący Cruise w czasie prób w locie nad masywem Mount Kathadin. Pociski Cruise mają zasięg 3600 km.
Rakiety meteorologiczne są zwykle napędzane silnikami na paliwo stale. Wynoszą one w powietrze urządzenia do badania górnych warstw atmosfery.
System wczesnego ostrzegania AWACS (z lewej) służy do wykrywania między innymi nieprzyjacielskich pocisków rakietowych. Amerykański międzykontynentalny pocisk balistyczny Trident II (poniżej).
Sputnik
Dysponując takimi rakietami, naukowcy radzieccy posiedli narzędzie umożliwiające wyniesienie niewielkiego obiektu na orbitę okołoziemską. W październiku 1957 roku, Sputnik 1, pierwszy sztuczny satelita Ziemi, nadał sygnały do naukowców, rozpoczynając erę kosmiczną.
Amerykanie byli zaskoczeni, lecz wspomagani przez nie byle jakiego eksperta jakim był Werner von Braun szybko, bo w ciągu 4 miesięcy, umieścili na orbicie swojego satelitę. Wpływ von Brauna na amerykański program budowy rakiet był nieprzerwany, aż do zakończenia programu Apollo. Program ten doprowadził w 1969 roku do wyniesienia człowieka na Księżyc za pomocą gigantycznych trójstopniowych rakiet Saturn V.
Trzecia zasada dynamiki Newtona stwierdza, że każdemu działaniu towarzyszy równe co do wartości, lecz przeciwnie skierowane, przeciwdziałanie. Przykładowo, gdy wyskoczymy z małej łódki na brzeg, to skacząc wprawimy łódkę w ruch oddalający ją od brzegu. Rakiety poruszają się na tej samej zasadzie. Napędzane są przez wyrzucany z dużą prędkością strumień materii, zwykle gazu. Wyrzucany gaz działa na rakietę siłą reakcji, która powoduje jej ruch. Silnik odrzutowy, aby spalić paliwo musi pobierać z atmosfery tlen. Silnik rakietowy nie potrzebuje niczego z zewnątrz, zarówno paliwo jak i utleniacz znajdują się w rakiecie. Właśnie to powoduje, że rakiety mogą działać w próżni panującej w kosmosie, przez co nadają się do napędu statków kosmicznych.
Paliwo
W silniku rakietowym stałe bądź płynne paliwo spalane jest w zamkniętej przestrzeni, a powstałe przy spalaniu gorące gazy wylatują przez jedną lub kilka stosunkowo wąskich dysz. Tlen niezbędny do spalenia paliwa może być otrzymywany z rozkładu związków chemicznych - w rakietach napędzanych prochem jest to azotan potasu. W nowoczesnych rakietach ciekły tlen jest zgromadzony w specjalnych zbiornikach. Paliwem może być nafta, wodór lub hydrazyna.
Silniki rakietowe na paliwo stałe są powszechnie używane ze względu na swą prostotę i dużą niezawodność. Napędzają one większość pocisków, są używane w rakietach jako silniki wspomagające, a niekiedy napędzają niektóre stopnie w rakietach wielostopniowych. Z drugiej strony, w silnikach na paliwo ciekłe siła ciągu może być stosunkowo prosto kontrolowana i dlatego to właśnie one są używane jako zasadnicze silniki dużych wielostopniowych rakiet. Innym powodem jest fakt, że przy tej samej masie paliwa silnik na paliwo ciekłe daje większą siłę ciągu i nadaje większe przyspieszenie niż silnik na paliwo stałe.
Inne rozwiązania
Jednak rakiety na paliwo płynne są niewystarczające do lotów międzygwiezdnych, poza nasz układ planetarny. Amerykańska sonda kosmiczna Voya-ger 2 rozpędziła się w polu grawitacyjnym Jowisza aby uzyskać prędkość wystarczającą do opuszczenia Układu Słonecznego i teraz oddala się od nas z prędkością 36000 km/h. Ale i to jest niewystarczające gdybyśmy chcieli dolecieć do innych gwiazd. Najbliższą Słońcu gwiazdą jest Proxima Centauri, odległa od nas o około 40 min km. Podróżując z prędkością Voyagera 2 dolecielibyśmy tam w ciągu 126 tysięcy lat!
Rakiet o napędzie nuklearnym nie będzie prawdopodobnie można wystrzeliwać z powierzchni Ziemi, gdyż zbyt zanieczyściłyby środowisko odpadami radioaktywnymi i promieniowaniem. Niemniej jednak mogłyby być one wypuszczane z przestrzeni okołoziemskiej. Rakiety takie mogłyby uzyskiwać ogromne siły ciągu za pomocą serii eksplozji nuklearnych. Inną możliwością jest użycie reaktora jądrowego do ogrzewania cieczy, tak aby zamieniała się w gaz wyrzucany z dyszy.
Przenośna wyrzutnia pocisków rakietowych Davy Crockett. Pociski te mogą przenosić ładunki konwencjonalne i nuklearne.
W przyszłości komputerowo sterowane pociski rakietowe przenoszące ładunki nuklearne będą mogły być wystrzeliwane z orbity okołoziemskiej w kierunku Ziemi.
Silnik F-1 (powyżej) był używany w rakiecie Saturn V (z lewej) służącej do wynoszenia amerykańskich statków kosmicznych Apollo do lotów na Księżyc. Pięć takich silników napędzało pierwszy człon, podczas gdy następne były napędzane silnikami J-2.
Napęd jonowy
Rozważane są możliwości wykorzystania do napędu rakiet strumienia naładowanych cząstek, bądź atomów. W jednym z projektów wodór zamieniany byłby w plazmę, którą z rakiety wyrzucałoby pole magnetyczne. Inna idea polega na tym, że z rakiety wyrzucane są rozpędzone w polu elektrycznym jony rtęci bądź cezu. Testy wykazały, że taki silnik działa. Niestety, uzyskiwana siła ciągu jest bardzo mała, zaledwie 1 kG na każde 4 min watów zużytej energii. Jednakże paliwo takiej rakiety nie zużywałoby się szybko i rozpędzając się stopniowo, rakieta taka mogłaby w końcu uzyskiwać naprawdę duże prędkości.
Innym pomysłem jest silnik fotonowy. Rakieta taka napędzana byłaby przez emitowane fotony, czyli po prostu przez wysyłanie strumienia światła z tyłu urządzenia. Jednak nawet przy największych możliwych obecnie koncentracjach strumienia światła jej siła ciągu nie jest w stanie konkurować nawet z tą wytwarzaną przez silniki jonowe.
Większość międzykontynentalnych pocisków nuklearnych jest wystrzeliwana z podziemnych silosów. Przedstawiony pocisk Minuteman III może przenosić wiele głowic nuklearnych do jednoczesnego ataku na różne, oddalone od siebie cele.
Pocisk rakietowy M88 służy do zwalczania jednostek pływających. Wystrzeliwany jest z samolotu, śmigłowca bądź statku i porusza się z prędkością dwukrotnie przewyższającą prędkość dźwięku, unikając systemów obronnych nieprzyjaciela.
Obecnie wszystkie samoloty bojowe wyposażone są w systemy ostrzegania przed pociskami klasy ziemia - powietrze. Pokazane tutaj zostały pociski Javelin (drugie z prawej) oraz Rapier (pierwszy z prawej), który jest sterowany przez naziemny system naprowadzania.
Sztuczne satelity
Wystrzelenie w 1957 roku przez Związek Radziecki pierwszego sztucznego satelity Ziemi, Sputnika 1, było początkiem podboju kosmosu. Dziś w każdym prawie zakątku planety ludzie korzystają z usług świadczonych przez satelity.
Słowo satelita oznacza towarzysza i odnosi się do sztucznych lub naturalnych obiektów krążących wokół innych ciał w przestrzeni kosmicznej. Na przykład planety są naturalnymi satelitami Słońca, a Księżyc jest naturalnym satelitą Ziemi. Wszystkie inne satelity Ziemi to urządzenia zbudowane przez człowieka i wyniesione w przestrzeń za pomocą rakiet. Ich zastosowania obejmują między innymi zadania militarne, poszukiwanie surowców naturalnych, monitorow anie i prognozowanie pogody, zadania telekomunikacyjne i badanie przestrzeni kosmicznej.
Identycznie jak ma to miejsce w przypadku Księżyca, sztuczne satelity utrzymywane są na swych orbitach dzięki sile grawitacyjnego przyciągania Ziemi. W przestrzeni kosmicznej, gdzie nie występują opory spowodowane tarciem, nie jest potrzebna żadna siła. aby utrzymać je w ruchu. Jednakże wszystkie sztuczne satelity obniżają stopniowo swą trajektorię i zbliżają się do atmosfery. W końcu spalają się. gdy w skutek tarcia o cząsteczki powietrza ich potężna energia kinetyczna zostaje zamieniona w ciepło.
Pierwszym sztucznym satelitą umieszczonym na orbicie okołoziemskiej był Sputnik 1, wystrzelony w 1957 r. przez Związek Radziecki. Okrążał on Ziemię w czasie około 90 minut.
Jedną z pierwszych istot żywych, która została wystrzelona w kosmos i powróciła żywa był pies Biełka. Wraz ze swym towarzyszem Striełką został wystrzelony na pokładzie satelity w sierpniu 1960 roku.
Proces umieszczania satelity na orbicie jest w swych założeniach prosty, jednakże wymaga olbrzymiej precyzji. Satelity są wynoszone na orbity za pomocą silników rakietowych wielkiej mocy. Początkowo wszystkie wystrzeliwano na rakietach jednorazowych, które pod koniec misji ulegały całkowitemu zniszczeniu. Obecnie duża część satelitów jest wynoszona w kosmos za pomocą amerykańskich promów kosmicznych, które są używane wielokrotnie.
Gdy wystrzelimy pocisk równolegle do powierzchni Ziemi, to siła grawitacji sprawi, że pocisk spadnie. Jeśli zwiększymy prędkość początkową pocisku, to osiągniemy tyle, że spadnie on dalej od punktu wystrzelenia. Ale przy pewnej prędkości, zwanej I prędkością kosmiczną, ciało nigdy nie spadnie na Ziemię. Przy 28000 km/h zakrzywienie toru ruchu kuli spowodowane grawitacją ziemską jest równe krzywiźnie naszej planety. Pocisk, mimo że ciągle ,,spada", to jednak pozostaje w sta- < łej odległości od powierzchni Ziemi, czyli innymi u3 słowami orbituje wokół niej. Oczywiście ta prędkość wystarcza na orbitowanie tuż nad powierzchnią Ziemi, gdzie na lecący obiekt działa siła oporu powietrza. Przy takiej prędkości spowodowałaby ona prawie natychmiastowe spalenie się pocisku lub jego wyhamowanie i upadek. Jednakże im większą nadamy pociskowi prędkość, tym wyższą osiągnie on orbitę i w końcu może dotrzeć na taką wysokość, gdzie nie ma już atmosfery.
Prędkości satelitów
Zależność pomiędzy prędkością obiegu a odległością od Ziemi znana była już w XVII w. W swym dziele dotyczącym grawitacji Izaak Newton podał tę zależność w odniesieniu do Księżyca. Dziś przy obliczaniu orbit sztucznych satelitów korzystamy z tego samego prawa. Jeśli na satelitę nie działałaby siła grawitacji, to miałby on tendencję do lotu ze stałą prędkością po linii prostej. Lecz przyciąganie grawitacyjne zakrzywia ten tor. Im większa jest odległość satelity od Ziemi (czy też jakiegokolwiek innego ciała wokoło którego on krąży), tym słabsza siła grawitacji i tym słabiej odkształca ona pierwotny prostoliniowy tor ruchu.
Sputnik 1 poruszał się na orbicie o wysokości ok. 160 km i na jeden obieg potrzebował 96 minut. Księżyc natomiast znajduje się w odległości około 386000 km od Ziemi i okrąża ją w ciągu 28 dni.
Orbita geostacjonarna
Niektóre satelity umieszcza się nad równikiem, tak aby krążyły nad Ziemią zgodnie z kierunkiem jej obrotu na wysokości 35900 km. W tych warunkach jeden obieg zajmuje im 24 godz. Ale Ziemia obraca się w identycznym tempie, więc pozostają one zawieszone nad tym samym punktem. Taką orbitę nazywamy orbitą geostacjonarną lub geosynchroniczną, co oznacza, że satelita obraca się synchronicznie z obrotami Ziemi. Na takich orbitach krążą satelity telekomunikacyjne, na przykład te, które przekazują programy telewizyjne. Jako że pozycja satelity względem powierzchni Ziemi nie zmienia się. odbiorcy potrzebują stosunkowo prostej anteny kierunkowej skierowanej ciągle w ten sam punkt na niebie.
Kolorowe kropki na mapie Francji obrazują wyładowania atmosferyczne. Powstały obraz wskazuje na lokalne zmiany aktywności elektrycznej dolnych warstw atmosfery.
Wycelowane w niebo anteny paraboliczne na radzieckim statku Jurij Gagarin śledzą przelatującego ponad nim satelitę.
Wystrzelony w 1964 r. amerykański satelita Echo II przekazywał sygnały radiowe. Był to pokryty cienką warstwą metalu balon o średnicy 41 m, który napełnił się po oddzieleniu od rakiety nośnej.
Teleskop Hubble'a
Wysoko nad Ziemią Teleskop Hubble'a (TH) obserwuje Wszechświat z precyzją nieosiągalną dla żadnego teleskopu usytuowanego na Ziemi.
Astronomowie zwykle budują swoje obserwatoria na szczytach gór. wyżej od chmur i ponad warstwą zanieczyszczenia atmosfery ziemskiej. Ale nawet wtedy, uzyskany obraz ulega rozmyciu w wyniku działania prądów powietrznych. Najczystszy widok można uzyskać dopiero z ponad atmosfery - bezpośrednio z przestrzeni kosmicznej.
Teleskopy pokazują więcej niż ludzkie oko może zobaczyć, ponieważ gromadzą więcej światła. Inaczej niż zwykłe lunety, które do skupienia wiązki światła wykorzystują soczewki, wielkie teleskopy astronomiczne używają do tego celu luster. Im większe lustro teleskopu, tym lepszy obraz, ponieważ większa jest ilość zebranego światła. Niemniej jednak, pomimo że Teleskop Hubble"a (TH) ma lustro o średnicy zaledwie 2.4 metra - mniej niż największe teleskopy ziemskie -może on zarejestrować obiekty 100 razy bledsze i szczegóły 10 razy mniejsze od tych. dostępnych teleskopom usytuowanym na Ziemi. Jest to spowodowane tym. że TH jest umieszczony ponad rozmywającą obraz atmosferą.
TH został osadzony na orbicie okołoziemskiej przez wahadłowiec kosmiczny Discovery w kwietniu 1990 r. Na jego pokładzie znalazł) się dwa aparaty fotograficzne. Pierwszy z nich został specjalnie skonstruowany do rejestrowania szerokich obszarów i planet: drugi robi zbliżenia i fotografuje niewielkie, przyćmione obiekty, takie jak odległe galaktyki .
Po umieszczeniu TH w przestrzeni kosmicznej, naukowcy z NASA z przerażeniem odkryli, że przekazywany obraz nie jest w przybliżeniu tak ostry, jak tego oczekiwali oraz. że nie sposób go wyostrzyć. Badania wykazały, że odpowiedzialne jest za to główne lustro teleskopu, rzekomo najdoskonalsze jakie kiedykolwiek wyprodukowano. W rzeczywistości odkryto, że producent wygładził je pod minimalnie innym kątem, w związku z czym miało ono zły kształt.
Nieostrość
Błąd krzywizny wynosił tyle ile jedna pięćdziesiąta szerokości ludzkiego włosa. Wystarczyło to jednak, żeby światło padające na zewnętrzną część lustra było skupiane w innym miejscu, niż światło odbite od jego centralnych partii - zjawisko znane jako aberracja sferyczna. Co jest zdumiewające, okazało się. że działanie teleskopu nigdy nie zostało sprawdzone na Ziemi, przed wysłaniem go w kosmos. Przez moment wydawało się. że TH okaże się kosztowną katastrofą.
Na szczęście okazało się. że TH nie jest całkowicie bezużyteczny, ponieważ naukowcy mogą częściowo usunąć efekt rozmazania, przetwarzając otrzymane obrazy na komputerze. Dzięki temu. przy pomocy TH można było zaobserwować szczególne zjawisko optyczne występujące w oddalonej przestrzeni kosmicznej, zwane soczewką grawitacyjną. Ma ono miejsce wtedy, kiedy wiązka światła przechodzi przez silne pole grawitacyjne i zostaje zakrzywiona, w wyniku czego powstają różnego rodzaju obrazy. W tym przypadku światło pochodzące od kwazara (małego, jasnego obiektu umiejscowionego daleko w przestrzeni kosmicznej) zostało podzielone na cztery osobne obrazy przez pole grawitacyjne galaktyki 20 razy nam bliższej. W ten sposób powstał obraz przypominający kształtem liść koniczyny. Występowanie tego typu grawitacyjnych miraży przewidział w swojej teorii względności Albert Einstein - dlatego ten przypadek nazwano Krzyżem Einsteina.
Burze na Saturnie
Zrządzeniem losu, kilka miesięcy po wysłaniu w kosmos TH, wokół otoczonego pierścieniami Saturna rozpętała się burza. Takie burze są ogromną rzadkością i na normalnie spokojnej planecie występują mniej więcej raz na 30 lat. Dlatego naukowcy skierowali teleskop w kierunku Saturna, żeby obserwować rozwój sytuacji. Z początku burza była białą plamą, która następnie rozprzestrzeniła się, żeby utworzyć pas pierzastych chmur, ciągnących się wzdłuż równika planety. Pozwoliło to naukowcom prześledzić kierunki wiatrów atmosferycznych Saturna.
Astronomowie mogli również po raz pierwszy wyraźnie zobaczyć niewielkiego satelitę Plutona, księżyc o nazwie Charon. Znajduje się on tak blisko Plutona, że przez wizjer ziemskiego teleskopu trudno go zaobserwować jako odrębne ciało. Dzięki zastosowaniu TH można było dokładnie ujrzeć orbitę Charona.
Osiągnięcia te nie mogły jednak zatrzeć faktu, że TH nie działał tak jak powinien. Najbardziej przyćmione obiekty, które mogłyby odpowiedzieć na podstawowe pytania dotyczące rozmiaru i wieku Wszechświata, nadal były nieosiągalne. Dodatkowo panele baterii słonecznych zaczęły przysparzać problemów i wymagały wymiany.
Na szczęście TH został tak skonstruowany, żeby mógł być poddany naprawie w przestrzeni kosmicznej. Wprawdzie główne lustro nie mogło zostać wymienione, ale inżynierowie postanowili dobudować do niego dodatkowy system optyczny, który korygowałby jego wadę tak, jak okulary korygują wadę ludzkiego wzroku.
W grudniu 1993 roku wahadłowiec kosmiczny Endeavour wyruszył na jedną z bardziej skomplikowanych misji w historii astronautyki. Spotkanie z TH odbyło się prawie 600 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Tutaj, zdalnie sterowane ramię wahadłowca przyciągnęło teleskop w kierunku platformy statku, gdzie przez pięć dni dwa zespoły astronautów dokonywały niezbędnych przeróbek.
Jeden ze starych paneli słonecznych został zabrany na Ziemię, w celu zbadania skutków jego wystawienia na działanie kosmosu. Zainstalowano też nowe żyroskopy stabilizujące i nowy procesor komputerowy. Przy założeniu konieczności kolejnych misji naprawczych, TH powinien pozostać „na posterunku" przynajmniej przez kolejne 10 lat. poszerzając granice ludzkiej wiedzy na temat Wszechświata.
Teleskop Hubble'a widziany chwilę po odłączeniu się od platformy Discovery. Pomarańczowe panele słoneczne, sterczące po bokach niczym skrzydła, zamieniają promienie słoneczne na elektryczność.
Przygotowania NASA do wizyty na pokładzie TH w kosmosie. Astronauci ćwiczą pod wodą wymianę jednego z aparatów fotograficznych.
Naukowcy przetwarzają obraz gwiazdozbioru uzyskany przez TH, widziany jako czerwone rozmycie na ekranie z lewej strony. Obraz komputerowo przetworzony widoczny jest na monitorze obok.
Ta fotografia Saturna, zrobiona z pokładu TH 9 listopada 1990, pokazuje czerwono-biały obszar, ciągnący się wzdłuż równika planety, znany jako „biała plama". W rzeczywistości jest to skłębiona masa chmur burzowych.