Космі́чний про́стір, або ко́смос ( − всесвіт) — відносно порожні ділянки Всесвіту, розташовані поза межами атмосфер небесних тіл. Всупереч розповсюдженій думці, космос не цілком порожній, але у ньому дуже низька густина речовини. Переважно це водень в атомарному, молекулярному чи іонізованому стані, також є інші прості гази (гелій, азот, кисень), тверді частинки пилу, що містять переважно вуглець, а за допомогою мікрохвильової спектроскопії виявлено кілька десятків різних молекул та мегамолекулBuried in the Cat's Paw Nebula lies one of the largest space molecules ever seen. // By Robert Lea. April 25, 2024Одна з найбільших в історії. Вчені виявили досі невідому мегамолекулу у космічному просторі. 26.04.2024, 00:55. Водночас космос заповнений електромагнітним випромінюванням, зокрема реліктовим випромінюванням, що лишилося після Великого Вибуху та космічними променями, в яких містяться іонізовані атомні ядра та різні субатомні частинки.
Вступ Космічний простір існує поза атмосферою Землі й між небесними тілами. Як зазначено в передмові, космічний простір не зовсім порожній, він має низьку щільність частинок, переважно плазму водню та гелію, а також електромагнітне випромінення, магнітні поля, нейтрино, пил та космічні промені. Базова температура космосу, котра визначається реліктовим випроміненням Великого вибуху, становить 2,7 Кельвінів (−270,45 °C; −454,81 °F). Плазма між галактиками складає близько половини баріонної (звичайної) речовини у Всесвіті; вона має густину менше одного атома водню на кубічний метр і температуру мільйони Кельвінів. Місцеві скопища речовини, скупчуються у зорі та галактики. Дослідження показують, що 90 % маси більшості галактик перебуває у невідомому вигляді, що називається темною матерією, яка взаємодіє з іншою речовиною за допомогою гравітаційних, але не електромагнітних сил. Спостереження дозволяють припустити, що більшість масової енергії у спостережуваному Всесвіті, це темна енергія — вид енергії вакууму який недостатньо вивчений. Міжгалактичний простір охоплює більшу частину обсягу Всесвіту, але навіть галактики та зоряні системи майже цілком складаються з порожнього простору.
Межі міжнародного космічного права були встановлені Договором про космос, котрий набув чинності 10 жовтня 1967 року. Цей договір запобігає будь-яким посяганням стосовно національного суверенітету і дозволяє всім державам вільно досліджувати космос. Попри розробку резолюцій ООН щодо мирного використання космічного простору, на земній орбіті вже було випробувано протисупутникову зброю.
Фізичні дослідження космосу люди розпочали у XX ст. з появою висотних польотів на повітряній кулі. За цим пішли пілотовані ракетні польоти. Через високу вартість потрапляння в космос, пілотований космічний політ був обмежений низькою орбітою Землі та Місяцем. Натомість, безпілотні космічні апарати вже досягли усіх відомих планет Сонячної системи.
Космічний простір є складним середовищем для дослідження людиною через небезпеку вакууму та випромінювання. Мікрогравітація також погано впливає на фізіологію людини, та спричинює як ослаблення м'язів, так і втрату кісткової маси. Окрім цих питань охорони здоров'я та довкілля, економічні витрати на розміщення предметів, зокрема людей, у космосі дуже високі.
Відкриття 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 бути, 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 зорі. У книжках, що збереглися в школі Хсюан Іє, йдеться про те, що небо безмежне, «порожнє і не має речовини». Отже «Сонце, Місяць і скупчення зір плавають у порожньому просторі, рухаючись або стоячи нерухомо».
Італійський вчений Галілео Галілей знав, що повітря має вагу, і завдяки цьому 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, 1643 року. Цей дослід спричинив створення першого ртутного барометра і сприяв науковому розголосу в Європі. Французький математик Блез Паскаль вважав, що оскільки стовпчик ртуті підтримується повітрям, то колонка-показник 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 показано також піднесенням напівповної повітряної кулі догори, 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 явище жаху вакууму. Він правильно зазначив, що атмосфера Землі оточує планету як оболонка, до того-ж її густина поступово зменшується з висотою. Також він зробив висновок, що між Землею та Місяцем повинен бути вакуум.
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 роздуми, спричинили міркування щодо нескінченного виміру простору італійським філософом Джордано Бруно у 16 столітті. Він поширив геліоцентричну космологію Коперника на висновок щодо нескінченності Всесвіту, наповненого речовиною, яку він назвав ефіром, котра не чинила опору руху небесних світил. Англійський філософ Вільям Гілберт дійшов подібного висновку, стверджуючи, що зорі нам видні лише завдяки тому, що їх оточено тонким ефіром або порожнечею. Це вчення про ефір, виникло у давньогрецьких філософів, зокрема Арістотеля, який тлумачив 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 передбачення щодо світлоносності ефіру було полишено. Його 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 1576 року. Але обсяг Всесвіту залишався невідомим до першого успішного вимірювання відстані до сусідньої зорі 1838 року німецьким астрономом Фрідріхом-Вільгельмом Бесселем. Він показав, що у зорі 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, і це дозволяє припустити, що перші розташовані 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.
Становлення та будова
Згідно з теорією Великого вибуху, первинний Всесвіт близько 13,8 мільярдів років тому був надзвичайно гарячим та щільним утворенням, яке стрімко розширювалося. Приблизно за 380 000 років Всесвіт охолов достатньо, аби протони та електрони могли поєднуватися та утворювати
водень — так звана епоха рекомбінації. Коли це сталося, речовина та випромінювання відокремилися, що дозволило фотонам вільно рухатися крізь простір, який постійно розширюється. Матерія, котра залишилася після початкового розширення, відтоді зазнала гравітаційного колапсу зі створенням зір, галактик та інших астрономічних об'єктів, облишивши після себе глибокий вакуум, який утворює те, що зараз називають космосом. Оскільки світло має скінчену швидкість, ця теорія також обмежує розміри, безпосередньо спостережуваним Всесвітом. Це залишає відкритим питання, чи є Всесвіт скінченим або нескінченним.
Сучасний вигляд Всесвіту було визначено з вимірювань реліктового випромінювання за допомогою супутників, таких як WMAP. Ці спостереження вказують на те, що просторова геометрія спостережуваного Всесвіту є майже «пласкою», тобто, його кривина близька до нуля. Плаский Всесвіт у поєднанні з виміряною густиною маси (енергії) Всесвіту та прискореним розширенням вказують на те, що простір має ненульову енергію, яку називають темною енергією.
За оцінками, середня густина енергії сучасного Всесвіту (разом із темною енергією, темною матерією та видимою речовиною, яка складається з атомів), дорівнює енергії 5,9 протонів на кубічний метр. Однак, атоми становлять лише 4,6 % від загальної густини енергії або один протон на чотири кубічні метри. Втім, густина Всесвіту дуже неоднакова; вона змінюється від відносно високої густини галактик (зокрема, дуже висока густина в деяких структурах усередині галактик, таких як планети, зорі та чорні діри) до умов у величезних порожнинах, які мають значно меншу густину, принаймні, спостережуваної речовини. На відміну від спостережуваної речовини та темної матерії, темна енергія, здається, не зосереджена в галактиках: хоча темна енергія може становити більшість маси-енергії у Всесвіті, але в межах Чумацького Шляху вплив темної енергії на 5 порядків менший, ніж дія сил тяжіння від речовини й темної матерії.
Середовище Це чорне тло зі світлими космічними тілами різних розмірів, розкиданими навмання. Зазвичай вони мають білі, червоні або сині відтінки.
Космічний простір — найвідоміше наближення до взірцевого вакууму. Він майже не має тертя, що дозволяє зорям, планетам і їх супутникам, вільно рухатися зразковими орбітами, слідуючи початковому етапу становлення.
Однак навіть глибокий вакуум міжгалактичного простору не позбавлений речовини, оскільки він як зазначено вище, містить кілька атомів водню на кубічний метр. Для порівняння, повітря, котрим 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.
Зорі, планети та їх супутники утримують власну атмосферу гравітаційним тяжінням. Атмосфери не мають чітко окресленої верхньої межі: густина атмосферного газу поступово зменшується з відстанню від небесного тіла, поки її не відрізнити від космосу. Атмосферний тиск Землі спадає 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.