Svemir (kosmologija)

Svemir je praznina koja se nalazi između nebeskih tela.^[1] Ona nije potpuno prazna, ali se sastoji iz visokog vakuuma male gustine čestica, među kojima dominira plazma hidrogena i helijuma, kao i elektromagnetna radijacija, magnetska polja, neutrini, kosmička prašina i kosmički zraci. Osnovna temperatura, uspostavljena spoljnom kosmičkom radijacijom izazvanom Velikim praskom iznosi 2.7 kelvina (K). Plazma sa gustinom od manje od jednog atoma hidrogena po kubnom metru i temperatura od nekoliko miliona kelvina u prostoru između galaksija predstavlja najbarioničniju materiju u svemiru; lokalne koncentracije su kondenzirale i sada čine zvezde i galaksije. U većini galkasija, promatranja pružaju dokaz da je 90% mase nepoznatog porekla i materijala koji se naziva tamna materija, i koja reaguje u dodiru sa drugim materijama kroz gravitacione, ali ne i elektromagnetne sile.^[2] Podaci ukazuju na to da je većina jednakosti mase i energije u svemiru koji se može promatrati loše shvaćena energija vakuuma svemira koju astronomi nazivaju tamnom energijom.^[3] Međugalaktički svemir zauzima najveći deo svemira, ali čak se i galaksije i zvezdani sistemi skoro u potpunosti sastoje iz praznog prostora.

Ne postoji definitivna granica koja ukazuje na to gde počinje svemir. Međutim, Karmanova linija, na visini od 100 km (62 mi) iznad nivoa mora,^[4] se konvencionalno koristi kao početak svemira u svemirskim ugovorima i radi održavanja zapisa o vazdušno-kosmičkom prostoru. Okvir internacionalnog svemirskog zakona je uspostavljen Ugovorom o svemiru, koji su sastavile Ujedinjene nacije 1967. godine. Ovaj ugovor isključuje mogućnost bilo kakvih potencijalnih ideja o nacionalnom suverenitetu i dozvoljava svim državama da slobodno istražuju svemir. Godine 1979. su potpisivanjem Mesečevog ugovora sve površine objekata kao što su planete kao i orbitalni prostor oko tih tela, stavljene pod jurisdikciju internacionalnog komiteta. Uprkos sastavljanju rezolucija Ujedinjenih Nacija o mirnom korišćenju svemira, već su ispitana anti-satelitska oružja u području Zemljine orbite.

Ljudi su započeli fizičko istraživanje svemira tokom 20. veka pojavom visokoletećih balona, što je kasnije bilo ispraćeno i slanjem raketa u svemir sa ljudskom posadom. Zemljinu orbitu je prvi posetio Jurij Gagarin iz Sovjetskog Saveza 1961. godine, i od tada pa do sada su svemirske letelice bez posade posetile sve poznate planete Sunčevog sistema. Zbog visoke cene odlaska u svemir, svemirske letelice sa posadom su svoje posete ograničile na niski deo Zemljine orbite i Mesec. U avgustu 2012. godine, Vojadžer 1 je bila prva letelica koja je ušla u međuzvezdani prostor.

Svemir predstavlja sredinu koja je čovečanstvu veliki izazov za istraživanje zbog vakuuma i radijacije. Nulta gravitacija ima negativan uticaj na ljudsku psihu, te izaziva kako atrofiju mišića, tako i gubitak kostiju. Pored pronalaženja rešenja za ove zdravstvene i probleme životne sredine, ljudi će takođe morati da pronađu način kako bi značajno smanjili cenu odlaska u svemir, ako bi želeli da postanu civilizacija koja nije ograničena svemirom.

Godine 350. pre nove ere, grčki filozof Aristotel je predložio da se priroda gnuša vakuuma, horror vacui. Ovaj koncept se zasniva na ontološkom argumentu iz 5. veka pre nove ere grčkog filofofa Parmenida, koji je porekao postojanje praznine u svemiru. Na osnovu ove ideje da vakuum ne može postojati, u Zapadnoj kulturi je tokom mnogo vekova bila rasprostranjena ideja da svemir ne može biti prazan.^[5] Tek u 17. veku, francuski filozof Rene Dekart je izneo argumente da ceo svemir mora biti ispunjen nečime.^[6]

U drevnoj Kini su postojale razne mislilačke škole koje su se bavile prirodom neba, među kojima su se neke zalagale za ideje koje su dosta slične današnjim shvatanjima svemira. U 2. veku, astronom Džang Heng je bio ubeđen da je svemir bezgraničan, i da se prostire daleko izvan mehanizma koji je održavao Sunce i zvezde. Preživele knjige Ksuang je škole govore da su nebela bila bezgranična, "prazna, i nemaju nikakve supstance u sebi". Takođe, "Sunce, Mesec i prateće zvezde lebde u praznom prostoru, da li krećući se ili stojeći".^[7]

Italijanski naučnik Galileo Galilej je znao da vazduh ima masu i da stoga podleže gravitaciji. Godine 1640. je demonstrirao da se jedna uspostavljena sila oduprela formiranju vakuuma. Međutim, tek će njegov učenik Evanđelista Toričeli napravio aparat koji je proizveo vakuum 1643. godine. Ovaj eksperiment je rezultirao prvim barometrom sa živom, te je napravio naučnu senzaciju u Evropi. Francuski matematičar Blez Paskal je smatrao da ako je stub žive podržan od strane vazduha, onda bi stub bio kraći na većoj visini, gde je vazdušni pritisak niži.^[8] Godine 1648. je njegov zet, Florin Perije, ponovio eksperiment na planini Pui de Dom u centralnoj Francuskoj, te je otkrio da je stub bio kraći za tri inča. Ovo umanjenje u pritisku je kasnije dalje prikazano nošenjem polu-punog balona uz planinu i posmatranjem njegovog postepenog naduvavanja, a zatim i postepenog izduvavanja po silasku.^[9]

Godine 1650. je nemački naučnik Oto fon Gerik konstruisao prvu vakuumsku pumpu: uređaj koji je mogao dalje da opovrgne princip horror vacui. On je tačno primetio da atmosfera Zemlje okružuje planetu kao oklop, sa gustinom koja se postepeno smanjuje sa visinom. Zaključio je da mora da postoji vakuum između Zemlje i Meseca.^[10]

U 15. veku, nemački geolog Nikola Kuzanski je špekulisao da univerzum nije imao centar i obim. Nije verovao da univerzum, iako nije neograničen, nije mogao biti smatran ograničenim, s obzirom na to da nije imao nikakve granice u okviru kojih bi mogao biti zadržan.^[11] Ove ideje su dovele do špekulacija o beskonačnoj dimenziji svemira italijanskog filozofa Đordana Bruna u 16. veku. Proširio je Kopernikovu heliocentričnu kosmologiju do koncepta beskonačnosti univerzuma ispunjenog supstancom koja se naziva etar, i koja se ne odupire kretanju nebeskih tela.^[12] Engleski filozof Vilijam Gilbert je došao do sličnog zaključka, tvrdeći da su zvezde vidljive nama samo zato što su okružene tankim etrom ili prazninom.^[13] Ovaj koncept etra je nastao među drevnim grčkim filozofima, među kojima su Aristotel, koji je iz njega sastavio teoriju o tome kako se kreću nebeska tela.^[14]

Koncept univerzuma ispunjenog etrom je ostao u modi među nekim naučnicima sve do početka 20. veka. Ovaj oblik etra je viđen kao medij kroz koji bi većina svetlosti mogla da se raširi.^[15] Godine 1887. je putem Majkelson-Morlijevog eksperimenta pokušano da se otkrije kretnja Zemlje putem posmatranja promena u brzini svetlosti, koja zavisi od smera kretanja planete. Međutim, nula rezultat je pokazao da postoji neka greška u konceptu. Tada je ideja o etru napuštena, te je zamenjena specijalnom teorijom relativiteta Alberta Ajnštajna, kojom se tvrdi da je brzina svetlosti u vakuumu fiksna konstanta, nezavisna u odnosu na pretnju posmatrača ili referentnog okvira.^[16][17]

Prvi profesionalni astronom koji je podržao koncept beskonačnog univerzuma je bio englez Tomas Digz 1576. godine. ^[18] Ali, skala univerzuma je ostala nepoznata sve do prvog uspešnog merenja udaljenosti obližnje zvezde 1838. godine od strane nemačkog astronoma Fridriha Besela. On je pokazao da je zvezda 61 Signi imala paralaksu od samo 0.31 arksekundi (u poređenju sa savremenom vrednošću od 0.287″). Ovo odgovara udaljenosti od preko 10 svetlosnih godina.^[19] Udaljenost od Andromedine galaksije je utvrđena 1923. godine od strane američkog astronoma Edvina Habla merenjem svetlosti cefeide u toj galaksiji, što je nova tehnika koju je otkrila Henrijeta Levit. Ovim je utvrđeno da se Andromedina galaksija nalazi izvan Mlečnog puta.^[20]

Najranija poznata procena temperature svemira je načinjena od strane švajcarskog fizičara Čarlsa Edvarda Gijoma 1896. godine. Koristeći procenjenu radijaciju pozadinskih zvezda, zaključio je da svemir mora biti zagrejan do temperature od 5–6 kalvina. Britanski fizičar Artur Edington je napravio slične proračune da bi izveo temperaturu od 3.18° 1926. godine. Godine 1933. je nemački fizičar Erik Regener je koristio totalnu izmerenu energiju kosmičkih zraka da bi procenio međugalaktičku temperaturu koja iznosi 2.8 kalvina.

Savremeni koncept svemira se zasniva na teoriji velikog praska, koja je prvi put pomenuta 1931. godine od strane belgijskog fizičara Žorža Lemetra. Ova teorija tvrdi da je vidljivi svemir nastao iz veoma kompaktnog oblika koji je od tada bio subjekat stalne ekspanzije. Spoljašnja energija koja se ispuštala tokom prvobitne ekspanzije se stabilno smaljivala u gustini, što je odvelo do toga da su 1948. godine američki fizičari Ralf Alfer i Robert Herman predvideli da temperatura svemira iznosi 5 kalvina.

Termin svemir je prvi put korišćen 1842. godine od strane engleske pesnikinje Ledi Emelin Stjuart-Vortli u njenoj pesmi "Devojka iz Moskve".^[21] Izraz svemir je prvi put iskoristio kao astronomski termin Aleksandar fon Humbolt 1845. godine. ^[22] Kasnije je popularizovan u pismima i delima Herberta Džordža Velsa 1901. godine.

Prema teoriji Velikog praska, univerzum je nastao iz jednog vrlo toplog i gustog stanja pre oko 13.8 milijardi godina, te je ubrzano počeo da se širi. Oko 380,000 godina kasnije se univerzum ohladio dovoljno da bi dozvolio elektronima i protonima da se spoje i formiraju hidrogen, i to je takozvana epoha rekombinacije. Kada se ovo dogodilo, materija i energija su se odvojile, i time dozvolile fotonima da slobodno putuju svemirom. Materija koja je ostala nakon prvobitne ekspanzije je od tada podvrgnuta gravitacionom kolapsu da bi od nje bile stvorene zvezde, galaksije i drugi astronomski objekti, ostavivši za sobom duboki vakuum koji formira ono što mi danas nazivamo svemirom.^[23] Kako svetlost ima konačnu brzinu, ova teorija takođe i ograničava veličinu direktno vidljivog univerzuma. Ovo ostavlja otvoreno pitanje o tome da li je univerzum ograničen ili neograničen.

Današnji oblik univerzuma je utvrđen iz merenja kosmičkog pozadinskog zračenja koristeći se satelitima. Ove opservacije ukazuju na to da je vidljivi univerzum ravan, što znači da će fotoni na paralelnim putanjama u jednom trenutku ostati paralelni dok putuju kroz svemir, sve do granice vidljivog univerzuma, osim pod uticajem lokalne gravitacije. Ravni univerzum, zajedno sa izmerenom masom gustine univerzuma i ubrzanom ekspanzijom univerzuma ukazuju na to da svemir ima energiju vakuuma koja nije ravna nuli, i koja se naziva tamna energija.^[24]

Prema procenama, prosečna gustina energije univerzuma je ekvivalentna iznosu od 5.9 protona po kubnom metru, uključujući i tamnu materiju, tamnu energiju i barionsku materiju (obična materija sačinjena od atoma). Atomi zauzimaju samo 4.6% totalne gustine energije, ili gustine jednog protona po četiri kubna metra. Gustina univerzuma, međutim, definitivno nije uniformisana; varira od relativno visoke gustine u galaksijama, uključujući i vrlo visoku gustinu u strukturama u okviru galaksija, kao što su planete, zvezde, i crne rupe, do uslova u potpunim prazninama koji imaju mnogo manju gustinu, bar što se tiče vidljive materije. Suprotno od materije i tamne materije, tamna energija nije koncentrisana u galaksijama: iako tamna energija može biti odgovorna za većinu masivne energije u univerzumu, uticaj tamne energije iznosi 5 redova veličine manje u odnosu na materiju i tamnu materiju Mlečnog Puta.

Svemir je najbliži prirodni primer savršenog vakuuma. U njemu nema trenja, što dozvoljava zvezdama, planetama i mesecima da se slobodno kreću kroz svoje idealne orbite. Međutim, čak i duboki vakuum međugalaktičkog svemira nije lišen materije, i sadrži par vodonikovih atoma po kubnom metru. U poređenju sa tim, vazduh koji mi udišemo sadrži oko 10²⁵ molekula po kubnom metru.^[25] Mala gustina materije u svemiru znači da elektromagnetska radijacija može da putuje velikim udaljenostima bez da bude rasuta: srednja slobodna staza fotona u međugalaktičkom prostoru iznosi oko 10²³  kilometara, ili 10 milijardi svetlosnih godina.^[26] Uprkos tome, izumiranje, koju čine apsorpcija i rasipanje fotona prašinom i gasom, je vrlo važan faktor galaktičke i međugalaktičke astronomije.

Zvezde, planete i meseci zadržavaju svoje atmosfere gravitacionim privlačenjem. Atmosfere nemaju jasno određene granice: gustina atmosferskog gasa se postepeno smanjuje sa udaljavanjem od objekta sve dok ne postane neprimetna u odnosu na okolinu.^[27] Atmosferski pritisak Zemlje pada za oko 0.032 Pa na visini od 100 kilometara, u poređenju sa 100,000 Pa definicije Internacionalne unije za čistu i primenjenu hemiju za standardan pritisak. Preko ove visine, pritisak izotropskog gasa brzo postaje neprimetan u poređenju sa pritiskom radijacije od Sunca i dinamičkog pritiska solarnog vetra. Termosfera u ovom spektru ima visoki gradijent pritiska, temperature ikompozicije, te dosta varira zbog svemirskog vremena.

Na Zemlji, temperatura je definisana kao kinetička aktivnost okružujuće atmosfere. Međutim, temperatura vakuuma ne može biti izmerena na ovaj način. Umesto toga, temperatura se utvrđuje merenjem radijacije. Sav vidljivi univerzum je ispunjen fotonima koji su stvoreni prilikom Velikog praska, koji je poznat kao kosmičko pozadinsko zračenje. Trenutna temperatura crnog tela pozadinskog zračenja iznosi oko −270 °C. Odrenjene oblasti svemira mogu sadržati vrlo energetske čestice koje imaju mnogo višu temperaturu nego kosmičko pozadinsko zračenje, kao što je korona Sunca gde temperature mogu varirati više od 1.2–2.6 MK.

Izvan zaštitne atmosfere i magnetskog polja, ima par prepreka za prolazak energetskih subatomskih čestica kroz svemir, a to su kosmički zraci. Ove čestice imaju energiju koja varira od 10⁶ eV do ekstremnih 10²⁰ eV ultra visoko-energetskih kosmičkih zraka. Vrhunac fluksa kosmičkih zraka se događa pri energiji od oko 10⁹ eV, sa otprilike 87% protona, 12% helijumskih nukleusa i 1% težih nukleusa. U spektru visoke energije, fluks elektrona sadrži samo 1% fluksa protona. Kosmički zraci mogu oštetiti elektronske komponente i mogu predstavljati pretnju po zdravlje svemirskim putnicima. Prema astronautima, kao što je Donald Petit, svemir ima miris izgorelog i miris metala, sličan mirisu aparata za varenje.^[28][29]

Uprkos surovom okruženju, nekoliko oblika života je pronađeno koji mogu izdržati ekstremne uslove svemira na duže periode. Vrste lišaja koje je Svemirska agencija odnela u svemir su izdržala podlaganje svemirskim uslovima tokom deset dana 2007. godine. Semenje Arabidopsis thaliana i Nicotiana tabacum su proklijala nakon što su bila izložena svemirskim uslovima tokom perioda od godinu ipo dana. Rod bacillus subtilis je preživeo 559 dana kada je bio podvrgnut niskoj Zemljanoj orbiti ili simuliranom marsovskom okruženju. Hipoteza panspermija predlaže da kamenje izbačeno u svemir sa planeta na kojima ima života mogu uspešno preneti oblike života do drugog naseljivog sveta. Postoji pretpostavka da se takav scenario i dogodio u ranim danima života našeg Sunčevog sistema, sa potencijalnim mikroorganizmima, pri čemu je kamenje razmenjemo između Venere, Zemlje i Marsa.

Naglo izlaganje vrlo niskom pritisku, kao što je situacija tokom brze dekompresije, može izazvati barotraumu—povredu pluća, izazvane velikom razlikom u pritisku između unutrašnosti i spoljašnjosti grudnog koša. Čak i ako je disajni put žrtve potpuno otvoren, protok vazduha kroz dušnik može biti previše spor da bi sprečio pucanje ili povredu. Brza dekompresija može izazvati povredu bubne opne i sinusa, modrice i krvarenje mekog tkiva, a šok može izazvati povišenu konzumaciju kiseonika, što vodi do hipoksije.

Kao posledica brze dekompresije, bilo koji kiseonik rastvoren u krvi će se isprazniti u plućima, da bi pokušao da ujednači gradijent parcijalnog pritiska. Kada dezoksigenisana krv dospe do mozga, ljudi i životinje će izgubiti svest nakon par sekundi i umreti od hipoksije u roku od par minuta. Krv i ostale telesne tečnosti ključaju kada pritisak padne ispod 6.3 Pa, i ovo zdravstveno stanje se naziva ebolizam. Para može naduti telo na dva puta njegove veličine i može usporiti cirkulaciju, ali je tkivo elastično i ima dovoljno pora da bi sprečio pucanje. Ebolizam je usporen pritiskom na krvne sudove, te deo krvi ostaje u tečnom stanju. Oticanje i ebolizam mogu biti umanjeni nošenjem specijalnog odela za letenje. Svemirski astronauti nose elastično odelo koje sprečava ebolizmu pri pritisku niskom čak i do 2 kPa. Svemirska odela su potrebna na 8 kilometara udaljenosti od Zemlje da bi obezbedili dovoljno kiseonika za disanje i da bi se sprečio gubitak vode, dok su iznad 20 kilometara obavezna radi sprečavanja ebolizma. Većina svemirskih odela u sebi imaju oko 30–39 kPa čistog kiseonika, što je otprilike ista količina koja se nalazi i na površini Zemlje. Ovaj pritisak je dovoljno visok da bi sprečio ebolizam, ali isparavanje azota koji se rastvara u krvi još uvek može izazvati mučnine zbog dekompresije i ebolizam gasa, ako se ne tretira.^[30]

Pošto su ljudi naviknuti na život u gravitaciji Zemlje, izlaganje bestežinskom stanju ima dokazane štetne efekte na zdravlje ljudskog tela. U početku je više od 50% astronoma patilo od mučnine uzrokovane putovanjem svemirom. Ovo može izazvati mučninu, povraćanje, vrtoglavicu, letargičnost, i uopšteno osećaj bolesti. Trajanje osećaja bolesti varira, ali uglavnom traje 1–3 dana, nakon čega se telo prilagođava novoj sredini. Duže izlaganje bestežinskom stanju može rezultovati atrofijom mišića, propadanjem skeletona i svemirskom osteopenijom. Ovi uticaji mogu biti umanjeni kroz režim vežbi. Među druge efekte spadaju redistribucija tečnosti, usporavanje kardiovaskularnog sistema, umanjena produktivnost crvenih krvnih zrnaca, poremećaji ravnoteže i oslabljivanje imunog sistema. Manji simptomi su gubitak telesne mase, nazalna kongestija, poremećaj sna i naduvenost lica.

Tokom dužih putovanja svemirom, radijacija može predstavljati akutni zdravstveni problem. Izlaganje izvorima radijacije, kao što su jonizirani kosmički zraci visoke energije mogu rezultovati umorom, mučninom, povraćanjem, kao i oštećenjem imunog sistema i prone broja belih krvnih zrnaca. Tokom dužeg perioda, među simptome spadaju povećani rizik dobijanja raka, oštećenje očnog vida, pluća i gastrointestinalnog trakta.

Ne postoji jasna granica između Zemljine atmosfere i svemira, pošto gustina atmosfere postepeno opada kako se visina povećava. Postoji nekoliko određenih standardnih granica, među kojima su:

• Međunarodna vazduhoplovna federacija je uspostavila Karmanovu liniju na visini od 100 kilometara kao radnu definiciju za granice između aeronautike i astronautike. Ovo se koristi jer na visini od oko 100 kilometara, kako je Teodor fon Karaman proračunao, vozilo bi morao da putuje brže od orbitalne brzine da bi izazvao dovoljan aerodinamički uzgon iz atmosfere da bi samo sebe održalo.^[4]
• Sjedinjene Američke Države smatraju sve ljude koji putuju na visini iznad 50 milja astronautima.^[31]
• Kontrola misije NASA-e koristi visinu od 76 milja kao svoju visinu ponovnog ulaska u Zemljinu atmosferu, što otprilike označava granicu gde aerodinamički otpor postaje primetan (zaviseći od balističkog koeficijenta vozila), što navodi šatlove da promene način letenja sa volana sa podizačima na manevrisanje vazdušnim površinama.

Godine 2009. su naučnici na univerzitetu u Kalgariju sastavili detaljne mere sa supra-termalnim eonskim imidžerom (instrument koji meri pravac i brzinu eona), što im je pružilo priliku da uspostave granicu na visini od 118 kilometara iznad Zemlje. Ova granica predstavlja sredinu postepene tranzicije preko desetina kilometara sa relativno slabih vetrova Zemljine atmosfere na mnogo agresivnije tokove napunjenih čestica u svemiru, koje mogu dostignuti brzine od preko 268 m/s.

Visina na kojoj se atmosferski pritisak podudara sa pritiskom vodene pare na temperaturu ljudskog tela se naziva Armstrongova granica, koja je dobila ime po američkom fizičaru Hariju Armstrongu. Nalazi se na visini od oko 19.14 kilometara. Na ili iznad Armstrongove granice, tečnosti u grlu i plućima će prokuvati. Tačnije, sve telesne tečnosti kao što su pljuvačka, suze i tečnost koja vlaži alveole u plućima će prokuvati. Stoga, na ovoj visini ljudsko telo mora biti obloženo adekvatnim odelom sa pritiskom, ili biti u kapsuli pod pritiskom da bi preživelo.^[32] Region između Armstrongove granice i Karmanove linije se ponekada naziva bliski svemir.

Svemirski sporazum pruža osnovni okvir internacionalnog svemirskog zakona. Pokriva legalnu upotrebu svemira od strane nacionalnih družava, te definiciju svemira, Meseca i drugih nebeskih tela. Sporazum ukazuje na to da je svemir slobodan prostor koji sve nacionalne države mogu istraživati, i ne može biti podvrgnut tvrdnjama nacionalnog suvereniteta. Takođe zabranjuje razvijanje nuklearnog oružja u svemiru. Ovaj sporazum je sastavila Generalna skupština Organizacije ujedinjenih nacija 1963. godine, a 1967. godine su ga potpisali Sovjetski Savez, Sjedinjene Američke Države i Velika Britanija. Od 1. januara 2008. godine, ugovor je priznalo 98 zemalja, a potpisalo dodatnih 27.

Počevši 1958. godine, svemir je subjekat raznih rezolucija Generalne skupštine Organizacije ujedinjenih nacija. Među njima, više od 50 se tiču internacionalne kooperacije korišćenja svemira u mirovne svrhe i sprečavanja vojne trke u svemiru. Četiri dodatna ugovora o svemirskim zakonima su sastavljena i pregovarana od strane Komiteta OUN o mirovnom korišćenju svemira. Međutim, još uvek ne postoji zvanična zabrana slanja konvencionalnog oružja u svemir, te su anti-satelitska oružja vrlo uspešno testirana od strane Sjedinjenih Američkih Država, Sovjetskog Saveza i Kine.^[33] Mesečev ugovor iz 1979. godine je predao jurisdikciju nad svim nebeskim telima (uključujući orbite oko takvih tela) internacionalnoj zajednici. Međutim, ovaj ugovor ne može biti ratifikovan od strane bilo koje nacije koja trenutno poseduje svemirske letelice sa ljudskom posadom.

Godine 1976, osam ekvatorijalnih zemalja, među kojima su (Ekvador, Kolumbija, Brazil, Republika Kongo, Demokratska Republika Kongo, Uganda, Kenija, i Indonezija) su se sastale u Bogoti u Kolumbiji. sastavile su "Deklaraciju prvog sastajanja ekvatorijalnih zemalja," poznatu i pod imenom "Deklaracija u Bogoti", gde su iznele tvrdnju da one kontrolišu deo geosinhrone orbitalne putanje koja odgovara svakoj od ovih zemalja. Ove tvrdnje nisu internacionalno prihvaćene.

Svemirska letelica ulazi u orbitu kada ima dovoljno veliko horizontalno ubrzanje za svoje centripetalno ubrzanje zbog gravitacije koja je manja ili jednaka centrifugalnom ubrzanju, koje je posledica horizontalne komponente njenog ubrzanja. Za nisku Zemljinu orbitu, ovo ubrzanje iznosi oko 7800 m/s; u poređenju sa tim, najveća brzina koju jedan avion sa ljudskom posadom može dostignuti iznosila je 2200 m/s 1967. godine, i tu brzinu je dostizao samo avion North American X-15.

Da bi ušao u orbitu, svemirska letelica mora putovati brže nego sub-orbitalna svemirska letelica. Energija potrebna da bi se dostigla Zemljana orbitalna brzina na visini od 600 km iznosi oko 36 MJ/kg, što predstavlja šest puta veću energiju nego što je potrebno da bi se samo dostigla korespondirajuća visina. Svemirske letelice sa perigejom od ispod 2,000 km su podložne odvlačenju iz Zemljine atmosfere, što bi izazvalo opadanje orbitalne visine. Stepen orbitalnog opadanja zavisi od poprečnog preseka satelitove oblasti i mase, kao i od varijacija u gustini vazduha gornje atmosfere. Ispod oko 300 km, propadanje postaje mnogo brže sa životnim vekom koji se meri u danima. Kada satelit siđe do visine od 180 km, počeće da gori u atmosferi. Druga kosmička brzina koja je potrebna da bi se izvukao iz gravitacionog polja Zemlje i pobegao u međuplanetarni prostor iznosi oko 11200 m/s.

Gravitacija Zemlje dostiže daleko van Van Alenovog pojasa i održava Mesec u orbiti na prosečnoj udaljenosti 384403 km. Oblast svemira gde gravitacija planete ima tendenciju da dominira nad kretanjem objekata koji se nalaze u prisustvu drugih tela koja utiču na kretnju (kao što je druga planeta) je poznata po imenu Hil sfera. Za zemlju, ova sfera ima prečnik od oko 1500000 km.

Svemir je delimični vakuum: njegove različite oblasti se definišu različitim atmosferama i "vetrovima" koji su dominantni u okviru njih, i prostiru se do tačke gde ti vetrovi podležu onima koji se nalaze ispod njih. Geosvemir se prostire od Zemljine atmosfere pa sve do spoljnih granica magnetnog polja Zemlje, gde podleže solarnom vetru međuplanetarnog svemira, Međuplanetarni svemir se prostire do heliopauze, gde solarni vetar podleže međuzvezdanoj stvari. Međuzvezdani svemir se dalje prostire sve do ivica galaksije, gde nestaje u međugalaktičkoj praznini.

Geosvemir je oblast svemira u blizini planete Zemlje. Geosvemir obuhvata gornju oblast atmosfere i magnetosfere. ^[34] Van Alenov pojas se nalazi u okviru geosvemira. Spoljna granica geosvemira je magnetopauza, koja formira interfejs između magnetosfere planete i solarnog vetra. Unutrašnja granica je jonosfera. Kako su fizičke osobine i ponašanje prostora u blizini Zemlje podložni uticaju ponašanja Sunca i svemirsnog vremena, prostor geosvemira je povezan unutar sebe heliofizikom; naukom o Suncu i njegovom uticaju na planete Sunčevog sistema.^[35]

Veličina geosvemira, određena magnetopauzom je nabijena u pravcu Sunca posredstvom pritiska i solarnog vetra, dajući joj tipičnu subsolarnu udaljenost od 10 zemljanih prečnika od centra planete.

Geosvemir je naseljen električki napunjenim česticama sa vrlo niskom gustinom, kretnjama koje kontroliše magnetsko polje Zemlje. Ovi oblici plazme stvaraju oblike iz kojih uznemiravanja koja podsećaju na oluje i koje dobijaju energiju od solarnih vetrova mogu dovesti električnu struju do Zemljine gornje atmosfere. Tokom geomagnetskih oluja dve oblasti geosvemira, radijacijski pojas i jonosfera, mogu postati snažno uznemireni. Ove oluje povećavaju fluksove energetskih elektrona koji mogu tajno oštetiti elektroniku satelita,a mogu biti pogubne i po astronaute, čak i u nižoj Zemljinoj orbiti. Takođe stvaraju i polarnu svetlost, koja je vidljiva u blizini magnetnog polja Zemlje.

Oblast izvan Zemljine atmosfere i koja se širi sve do izvan Mesečeve orbite, uključujući i Lagranžovu tačku, se ponekad naziva cislunarni svemir.^[36]

Međuplanetarni svemir, prostor oko Sunca i planeta Sunčevog sistema, je oblast kojom dominiraju međuplanetarni medijumi, i koji se prostire do heliopauze, gde uticaj galaktičke sredine počinje da dominira nad magnetnim poljem i fluksom čestica sa Sunca. Međuplanetarni svemir je oblikovan solarnim vetrom, stalnim tokom punjenih čestica koje potiču sa Sunca i koje stvaraju vrlo tananu atmosferu za milijarde milja svemira. Ovaj vetar ima gustinu čestica koja iznosi oko 5–10 protona/cm³ i kreće se brzinom od 350-400 km/s. Udaljenost i snaga heliopauze varira u odnosu na nivo aktivnosti solarnog vetra.

Zapremina međuplanetarnog svemira je skoro potpuni vakuum, sa srednjom slobodnom putanjom koja iznosi oko jedne astronomske jedinice na orbitalnoj udaljenosti od Zemlje. Međutim, ovaj prostor nije potpuno prazan, delimično je ispunjen kosmičkim zracima, među kojima su jonizirani atomski nukleusi i razne subatomske čestice. Takođe postoji i gas, plazma i prašina, mali meteori, i na desetine vrsta organskih molekula.

Međuplanetarni prostor sadrži magnetsko polje koje generiše Sunce.^[37] Takođe postoje i magnetosfere koje generišu planete kao što su Jupiter, Saturn, Merkur i Zemlja, koje imaju svoja lična magnetska polja.

Međuzvezdani svemir je fizički prostor u okviru galaksije koji ne zauzimaju zvezde ili njihovi planetarni sistemi. Sadržaj međuzvezdanog svemira se naziva međuzvezdani medijum. Prosečna gustina materije u ovoj oblasti iznosi oko 10⁶ čestica po m³, ali ovo varira od najniže vrednosti koja može iznositi 10⁴ – 10⁵ u oblastima retke materije do oko 10⁸ – 10¹⁰ u tamnim maglinama. Oblasti u kojima se formiraju zvezde mogu dostići gustinu od 10¹² – 10¹⁴ čestica po m³ (u poređenju sa tim, gustina Zemljine atmosfere na nivou mora iznosi 10²⁵ čestica po m^3[38]). Skoro 70% zapremine međuzvezdanog medijuma se sastoji iz usamljenih hidrogenskih atoma. Ono je obogaćeno helijumskim atomima, kao i malim količinama težih atoma koji se formiraju kroz zvezdanu nukleosintezu. Ovi atomi mogu biti lansirani u međuzvezdani medijum zvezdanim vetrovima, ili kada razvijene zvezde počnu da odbacuju svoj spoljni omotač, kao što je u slučaju formiranja planetarne magline. Kataklizmična eksplozija supernove će stvoriti rastući talasni šok koji će se sastojati iz lansiranih materijala.

Postoji određeni broj molekula u međuzvezdanom svemiru, a mogu postojati i sićušne čestice prašine. Podudaranje molekula otkrivenih putem radio-astronimije se ravnomerno povećava za oko četiri nove vrste svake godine. Velike oblasti materije veće gustine, poznate kao gigantski molekulski oblaci dozvoljavaju događanje hemijskih reakcija, među kojima su i formiranje organiskih poliatomskih vrsta. Većina ovih hemijskih reaksija je pokrenuta sudaranjima. Energetski kosmički zraci penetriraju hladne, guste oblake i joniziraju hidrogen i helijum. Jonizirani helijum se može zatim razdvojiti na relativno obilan ugljen-monoksid da bi proizveo jonizirani ugljenik, što zatim može izazvati organske hemijske reakcije.

Lokalni međuprostorni medijum je oblast svemira koji se nalazi na udaljenosti od 100 parseka (pc) od Sunca, što ga čini zanimljivim ne samo zbog svoje blizine, već i zbog njegove interakcije sa Sunčevim sistemom. Ova zapremina se skoro pa podudara sa oblašću svemira koji se naziva Lokalni mehur, koja je karakteristična po manjku gustih, hladnih oblaka. Formira šupljinu u spiralnoj galaksiji Orion Mlečnog puta, sa gustim molekularnim oblacima koji leže na njenim granicama, kao što su sazvežđa Zmijonoša i Bik. Ova zapremina sadrži oko 10⁴–10⁵ zvezda, i lokalni međuzvezdani gas čini protivtežu atmosferama koje okružuju ove zvezde, sa zapreminom svake sfere koja varira u zavisnosti od lokalne gustine međuzvezdanog medijuma.

Kada se zvezde kreću dovoljno visokom brzinom, njihove atmosfere mogu stvoriti šok luka prilikom sudara sa međuzvezdanim medijumom. Dekadama je smatrano da je i Sunce imalo šok luka. Godine 2012. su podaci Međuzvezdanog istraživača granica i NASA-inog Vojadžera da sunčev šok luka ne postoji. Umesto toga, ovi autori tvrde da talas luka Mahovog broja definiše tranziciju sa toka solarnog vetra na međuzvezdani medijum.

Međugalaktički vemir je fizički prostor između galaksija. Veliki prostori između metagalaksija se nazivaju praznine. Nalazeći se između galaksija i okružujući ih, postoji razblažena plazma koja je organizovana u strukturu galaktičkih vlakana. Ovaj materijal se naziva međugalaktički medijum (IGM), i njegova gustina je 5–200 puta veća od prosečne gustine univerzuma. Sastoji se uglavnom iz joniziranog hidrogena; na primer: plazma koja se sastoji od jednakog broja elektrona i protona. Kako gas pada u međugalaktički medijum iz praznina, zagreva se do temperatura koje mogu biti od 10⁵ K do 10⁷ K, što je dovoljno visoko da bi sudari između atoma imali dovoljno energije i izazvali beg vezanih elektrona iz hidrogenskog nukleusa; zbog toga je međugalaktički medijum joniziran. Na ovim temperaturama, naziva se topli međugalaktički medijum. Kompjuterske simulacije i promatranja prikazuju da skoro pa polovina atomske materije univerzuma bivstvuje u ovom, toplo-vrelom, razblaženom stanju. Kada gas padne sa vlaknastih struktura toplih međugalaktičkih medijuma u metagalaksije na presecima kosmičkih vlakana, može se još više zagrejati, te doseći temperature od 10⁸ K, pa čak i više u tom takozvanom međumetagalaktičkom medijumu.

Tokom celokupne ljudske istorije, svemir je ispitivan opservacijom; prvo golim okom a zatim teleskopom. Pre razvijanja sigurne raketne tehnologije, najbliže što je čovečanstvo došlo svemiru bilo je putem letova balonom. Godine 1935. je američki Eksplorer II balon sa ljudskom posadom dostigao visinu od 22 kilometara. Ova visina je zatim pređena 1942. godine tokom trećeg lansiranja nemačke rakete A-4, koja je dostigla visinu od oko 80 kilometara. Godine 1957. je besposadni satelit Sputnik 1 lansiran uz pomoć ruske R-7 rakete, te je dostigao orbitu Zemlje na visini od 215 kilometara.^[39] Nakon ovoga je usledio svemirski let sa ljudskom posadom 1961. godine, kada je Jurij Gagarin poslat u orbitu na letelici Vostok 1. Prvi ljudi koji su izašli iz Zemljine orbite su bili Frenk Bormen, Džim Lavel i Vilijam Anders 1968. godine američkom letelicom Apolo 8, koja je dostigla lunarnu orbitu ^[40] i najveću udaljenost od 377349 kilometara od Zemlje.^[41]

Prva svemirska letelica koja je dostigla drugu kosmičku brzinu je bila sovjetska letelica Luna 1, koja je proletela pored Meseca 1959. godine.^[42] Godine 1961. je Venera 1 postala prva planetarna sonda. Otkrila je prisustvo solarnog vetra i izvela prvo proletanje pored planete Venere, mada je kontakt izgubljen pre dostizanja Venere. Prva uspešna planetarna misija je bila Mariner 2, preletanje pored Venere 1962. godine. ^[43] Prva svemirska letelica koja je preletela pored Marsa je bila Mariner 4, koja je stigla do planete 1964. godine. Od tada, mnoge besposadne letelice su vrlo uspešno istražile sve planete Sunčevog sistema, kao i njihove mesece i mnoge manje planete i komete. One i danas ostaju glavno oruđe za istraživanje svemira, kao i za posmatranje Zemlje.^[44] U avgustu 2012. godine je letelica Vojadžer 1 postala prvi objekat napravljen ljudskom rukom koji je napustio Sunčev sistem i ušao u međuzvezdani svemirski prostor.^[45]

Odsustvo vazduha čini svemir (i površinu Meseca) idealne lokacije za astronomiju na svim talasnim dužinama elektromagnetskog spektra, kako je i primećeno putem spektakularnih slika usnimljenih putem Habl teleskopa. Međutim, nije svaka lokacija u svemiru idealna za posmatranje putem teleskopa. Međuplanetarni oblak prašine emituje difuznu skoro pa infracrvenu radijaciju koja može maskirati emisiju slabih izvora kao što su ekstrasolarne planete. Pomeranje infracrvenog teleskopa izvan prašine bi povećalo efektivnost instrumenta.

Besposadne svemirske letelice u orbiti Zemlje su postale vrlo važna tehnologija moderne civilizacije, koja omogućava direktno nadgledanje vremeskih prilika, prenošenje komunikacija na velike daljine kao što su telefonski pozivi i televizijski signali, te pružaju sredstva za preciznu navigaciju, i dozvoljavaju daljinsku detekciju Zemlje.