Люди издавна пытались разгадать тайну окружающего мира, определить свое место в мировом порядке Вселенной, которую древнегреческие философы называли Космосом. Так человек пристально наблюдал за восходами и заходами Солнца, за порядком смены фаз Луны - ведь от этого зависела его жизнь и трудовая деятельность. Человека интересовал неизменный суточный ход звезд, но пугали непредсказуемые явления - затмения Луны и Солнца, появление ярких комет. Люди пытались понять закономерность небесных явлений и осмыслить свое место в этом безграничном мире. Астрономия исследует небесные объекты, явления и процессы, происходящие во Вселенной.
Астрономия (греч. ástron - звезда, светило, nómos - закон) - фундаментальная наука, изучающая строение, движение, происхождение и развитие небесных тел, их систем и всей Вселенной в целом.
Астрономия как наука - важный вид человеческой деятельности, дающий систему знаний о закономерностях в развитии природы. Цель астрономии - изучить происхождение, строение и эволюцию Вселенной.
Важными задачами астрономии являются объяснение и прогнозирование астрономических явлений, таких, как солнечные и лунные затмения, появление периодических комет, прохождение вблизи Земли астероидов, крупных метеорных тел или ядер комет. Астрономия занимается изучением физических процессов, происходящих в недрах планет, на поверхности и в их атмосферах, чтобы лучше понять строение и эволюцию нашей планеты. Восемь больших планет (среди них Земля), карликовые планеты, их спутники, астероиды, метеорные тела, кометы, межпланетная пыль и полевые формы материи вместе с Солнцем составляют гравитационно-связанную Солнечную систему. Исследование движения небесных тел позволяет выяснить вопрос об устойчивости Солнечной системы, о вероятности столкновения Земли с астероидами и ядрами комет. Не теряет актуальность открытие новых объектов Солнечной системы и изучение их движения. Важно знание процессов, происходящих на Солнце, и прогнозирование их дальнейшего развития, так как от этого зависит существование всего живого на Земле. Изучение эволюции других звезд и сравнение их с Солнцем помогают познать этапы развития нашего светила.
Исследование нашей звездной Галактики и других галактик позволяет определить ее тип, эволюцию, место, занимаемое в ней Солнечной системой, вероятность близкого прохождения от Солнца других звезд или прохождения его самого через межзвездные облака газа и пыли.
Итак, астрономия изучает строение и эволюцию Вселенной. Под термином «Вселенная» понимается максимально большая область пространства, включающая в себя все доступные для изучения небесные тела и их системы.
Астрономия - наука о Вселенной. Она изучает движение и природу Солнца, Луны, планет, звезд, галактик и других небесных тел. Большинство астрономических объектов располагается за пределами Земли, но и саму Землю астрономия изучает как планету. В своей работе астрономы используют методы математики , физики и химии . До 1958 г. астрономия была чисто наблюдательной наукой, изучавшей свои объекты издалека в телескоп. Но с появлением космических аппаратов астрономы получили возможность посылать приборы к планетам и их спутникам, к кометам и астероидам для прямого изучения их атмосферы и поверхности. Так астрономия стала экспериментальной наукой.
Астрономия - одна из древнейших наук. В давние времена люди наблюдали перемещения небесных светил, чтобы измерять время, предсказывать наступление сезонов полевых работ, для ориентировки на суше и на море, для предсказания затмений и для ритуальных целей. До сих пор астрономия применяется для практических целей, таких как измерение времени, навигация, геодезия , причем методы и точность практической астрономии постоянно улучшаются.
Практическими задачами в основном занимаются национальные обсерватории и крупные астрономические институты, такие как Главная астрономическая (Пулковская) обсерватория РАН и Институт прикладной астрономии РАН в Санкт-Петербурге, Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга в Москве, Морская обсерватория США в Вашингтоне, Королевская Гринвичская обсерватория в Кембридже (Англия). Большинство же астрономов на других обсерваториях занято изучением различных объектов Вселенной.
Помимо профессиональных астрономов, работающих на крупных и хорошо оснащенных государственных и университетских обсерваториях, в мире насчитываются сотни любительских обсерваторий, на которых энтузиасты в свободное время проводят самостоятельные наблюдения, нередко имеющие научную ценность. В основном это наблюдения переменных звезд, комет и метеоров, солнечных пятен и вспышек, полярных сияний и серебристых облаков, а также редких явлений на поверхности Луны и планет.
Астрономия и объекты ее исследования
Астрономические исследования можно разделить на четыре важнейших направления: Солнечная система, звезды, межзвездное вещество и галактики.
Исследование Солнечной системы
Солнечная система состоит из звезды, которую мы называем Солнцем, и множества более мелких тел, обращающихся вокруг нее. Среди них 8 больших планет с их естественными спутниками, которых уже известно более 160 (см. Планеты Солнечной системы). Кроме того, вокруг Солнца движутся сотни тысяч малых тел - астероидов и комет, а также метеорные потоки, состоящие из частиц разрушенных астероидов и комет. В порядке удаления от Солнца большие планеты называются Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Первые две называют внутренними планетами, поскольку их орбиты лежат внутри орбиты Земли, а пять более далеких, чем Земля, называют внешними планетами. Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн видны невооруженным глазом и потому были известны в древности; их называли «блуждающими звездами», поскольку они перемещаются на фоне далеких «неподвижных» звезд.
Движения планет помогают специалистам по понять законы взаимодействия тел и проверить фундаментальные физические теории, такие как теория относительности. Высочайшая точность небесной механики служит основой успеха космонавтики: только безошибочные расчеты влияния Солнца и планет на полет космического аппарата позволяет ему точно достигнуть своей цели в любой части Солнечной системы.
Специалисты по Солнцу изучают различные физические явления на его поверхности и в недрах, включая термоядерные реакции и другие высокотемпературные процессы. Они исследуют излучение Солнца и его влияние на земную атмосферу и биосферу . Солнце находится под постоянным наблюдением наземных и космических обсерваторий. Подробное изучение Солнца позволяет многое понять и в природе других звезд, слишком далеких от нас для детального изучения.
В исследовании Луны произошел гигантский прогресс с наступлением космической эры. Неизвестная прежде обратная сторона Луны впервые была сфотографирована советским аппаратом «Луна-3» в 1959 г. Американские аппараты «Рейнджер» в 1964-65 гг. передали изображения поверхности Луны с близкого расстояния, а в 1966-68 гг. на Луну мягко опустились автоматические станции «Луна-9», «Сервейер-5, -6 и -7» и определили прочность и состав ее грунта. В 1969-72 гг. совершили экспедиции на Луну экипажи американских «Аполлонов» и советские автоматические аппараты (1970-76 гг.), доставив на Землю для изучения сотни килограммов лунного грунта. Активные исследования Луны с помощью беспилотных аппаратов возобновились в середине 1990-х: США, Западная Европа, Япония, Китай, Индия в кооперации с учеными других стран, включая Россию, отправили к Луне орбитальные зонды, по данным которых были составлены качественные геологические и минералогические карты поверхности и найдены признаки воды. Теперь астрономам известны детальные физические и химические характеристики лунных пород и их возраст. Лишенная атмосферы и вулканов маленькая Луна за время своей эволюции изменилась гораздо меньше Земли, поэтому она «хранит ключи» ко многим тайнам происхождения Солнечной системы.
Такими же полезными для изучения истории Солнечной системы являются метеориты, возраст которых радиоизотопным методом оценивается в 4,5 млрд лет. Кометы тоже образовались в период молодости Солнечной системы и несут в себе ее первичное вещество. Астрономы уже проводят прямое изучение комет с помощью космических аппаратов; к тому же, некоторую информацию о них дают и метеоры, образующиеся при сгорании в атмосфере Земли мелких частиц, потерянных кометами при их сближении с Солнцем.
Исследования звезд
Древние люди считали звезды неподвижно прикрепленными с огромной небесной сфере, окружающей Землю и вращающейся вокруг нее. Характерным группам ярких звезд - созвездиям, они давали названия бытовых предметов, мифических героев и животных. Астрономы установили, что звезды - это гигантские газовые шары, подобные Солнцу. Они сияют постоянно, но днем не видны из-за яркого солнечного света, рассеянного в земной атмосфере.
Звезды различаются по своему расстоянию от Земли, по массе, светимости (т. е. мощности излучения), температуре, химическому составу, возрасту и скорости движения. Но как бы быстро они ни двигались, из-за большой удаленности звезды кажутся нам почти неподвижными и представляют почти идеальную систему отсчета, относительно которой удобно изучать движение тел Солнечной системы.
Расстояния до ближайших звезд измеряют методом триангуляции, используя в качестве базы диаметр орбиты Земли; а расстояния до далеких звезд определяют путем сравнения их видимой яркости с истинной светимостью, которую можно оценить по виду спектра звезды. Наблюдая спектры звезд, можно заметить, что у некоторых звезд спектральные линии периодически смещаются или раздваиваются. Это означает, что в действительности звезда двойная и линии смещаются из-за эффекта Доплера, связанного с движением звезд вокруг общего центра масс. Не менее половины всех звезд двойные. У некоторых близких звезд удалось выявить таким методом присутствие совсем небольших спутников, по массе близких к планетам (это так называемые коричневые карлики) и даже равных планетам (их называют экзопланетами). А раз помимо Солнечной системы существуют и другие планетные системы, то почему бы на тех планетах не быть жизни, в том числе и разумной? Для проверки этой идеи радиоастрономы уже более полувека пытаются принять сигналы разумных существ с планет у ближайших звезд и сами посылают такие сигналы в космос.
На каждой из звезд происходят грандиозные физические процессы, которые пока невозможно воспроизвести на Земле. При этом каждая звезда отделена от нас не только пространством, но и временем, необходимом свету, чтобы достичь Земли. Поэтому перед астрономами разворачивается панорама космических событий, уходящих в глубины прошлого на миллионы и даже миллиарды лет.
Исследование межзвездного вещества
Пространство между звездами не совсем пустое: оно заполнено разреженным газом и пылью. Особенно много межзвездного вещества в диске Галактики, а ее спиральных рукавах. В некоторых местах это вещество сконцентрировано в облака, которые могут светиться, если рядом находится горячая звезда; пример - известная Туманность Ориона, которую можно заметить невооруженным глазом чуть ниже Пояса Ориона. В наиболее массивных и холодных облаках вещество сжимается под действием собственной гравитации и из него формируются новые звезды. Эти облака столь плотны, что не пропускают свет звезд; заглянуть в их недра можно только с помощью инфракрасных и радиотелескопов. Прослеживая радиоизлучение межзвездного газа, астрономы узнали расположение спиральных рукавов нашей Галактики.
Исследование галактик
За пределами нашей Галактики существует великое множество других галактик. В ближайших из них с помощью крупных телескопов можно изучать отдельные звезды. По всем параметрам эти звезды очень похожи на те, что окружают нас, хотя сами галактики чрезвычайно разнообразны по форме, размеру и массе. Доплеровское смещение линий в спектрах галактик показывает, что они удаляются от нас, причем тем быстрее, чем дальше расположены.
С помощью радиотелескопов изучается межзвездный газ в далеких галактиках и высокоэнергичные частицы, движущиеся в их магнитных полях. Большой интерес у астрономов вызывают галактики с активными ядрами, особенно квазары, расположенные в ядрах массивных галактик. Источник их колоссальной энергии до сих пор вызывает споры.
Заря астрономии
Древняя астрономия
Необходимость в простых правилах, связывающих между собой исчисление времени по луне и солнцу, стимулировала развитие научной астрономии вавилонскими жрецами в последние три века до нашей эры. На основе своих наблюдений они составили детальные таблицы (эфемериды) для предсказания важнейших явлений солнца, луны и планет. Они приняли, что эти светила движутся по кругу, позже названному греками Зодиаком, и разделили его на 12 равных «знаков». Вавилоняне представляли мир как земляной диск на твердом основании, окруженный океанским рвом; а ниже была бездна и жилище смерти.
Греческая астрономия
Традиция научной астрономии восходит к древним грекам, объединившим наблюдения вавилонских звездочетов с естествознанием и . Пифагор (6 в. до н.э.) и его школа представляли Землю в виде сферы и учили, что пути небесных светил можно представить как равномерное круговое движение вокруг Земли. Это учение, математически оформленное Евдоксом Книдским (4 в. до н.э.), было развито Аристотелем (384-322 до н.э.) в космологическую систему, просуществовавшую почти без изменений вплоть до 16-го века.
В противовес этим взглядам Гераклид Понтийский (4 в. до н.э.) считал, что Земля вращается вокруг оси, а Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца, которое само движется вокруг Земли. Еще ближе к современной гелиоцентрической системе мира подошел Аристарх Самосский (3 в. до н.э.), учивший, что Земли вместе с другими планетами обращается вокруг Солнца. Геоцентрическая система, разработанная в период эллинизма Гиппархом (2 в. до н.э.), была завершена Птолемеем (2 в.) в его «Альмагесте». Этот классический труд служил основным пособием по астрономии в течение 1400 лет. В нем содержится старейший звездный каталог, описаны угломерные инструменты той эпохи и открытая Гиппархом прецессия, изложена эпициклическая теория движения Луны и планет, употреблявшаяся вплоть до 17-го столетия. Согласно этой теории планеты равномерно обращаются по окружностям (эпициклам), центры которых, в свою очередь, обращаются вокруг Земли по окружностям большего диаметра (деферентам), причем плоскости тех и других не совпадают. Теория Птолемея позволила с хорошей точностью описать не только видимые пути планет на фоне звезд, но и вариации их яркости, связанные с изменением расстояния от Земли. Дальнейшее уточнение этой схемы потребовало введения дополнительных эпициклов и смещения точек вращения (эквантов) относительно центров окружностей. Таблицы движения светил, вычисленные по теории Птолемея, долгие годы удовлетворяли практические потребности людей.
Исламский период
После распада древней культуры путь греческой науки в христианский мир Средневековья пролег через исламскую цивилизацию. Арабы впитали традиции эллинизма на землях, захваченных ими в 7-ом веке. Багдад стал центром перевода на арабский греческой научной классики, включая «Альмагест» Птолемея. Затем через Каир эти труды достигли мусульманских университетов Испании. Сохранив основные принципы греческой астрономии, арабские ученые развили технику наблюдений и повысили точность вычисления планетных таблиц. В 12-м веке труды Аристотеля и Птолемея (в переводе с арабского на латинский) вновь стали доступны выходящему из застоя христианскому миру, а в 15-м веке обнаружились и греческие тексты классических трудов. Иоганн Мюллер (1436-1476) из Нюрнберга, известный как Региомонтан, возродил технику астрономических наблюдений.
Рождение современной астрономии
Система Коперника
Современную эру в астрономии открыл Николай Коперник (1473-1543), опубликовавший в 1543 свой труд «О вращениях небесных сфер». Он предположил, что в центре Вселенной находится Солнце, а все планеты, включая Землю, обращаются вокруг него. Суточное движение светил Коперник объяснял вращением Земли. Хотя физических доказательств этой гипотезы в то время еще не было, она существенно упрощала расчет планетных таблиц и была принята в практической астрономии. Но церковь отнеслась к ней недоброжелательно, опасаясь разрушения своей геоцентрической картины мира.
Для составления планетных таблиц, необходимых, прежде всего, мореплавателям, требовались непрерывные и точные наблюдения. Большой вклад в это внес выдающийся астроном 16-го века Тихо Браге (1546-1601). Более 20 лет в своей обсерватории на острове Вен в Зундском проливе он измерял положения Луны и планет, используя инструменты собственной конструкции. Он открыл два неравенства в движении Луны - вариацию и годичное уравнение. Как доказал позже Ньютон , причиной вариации служит притяжение Солнца, действующее по-разному на Землю и Луну из-за регулярного изменения их относительного расстояния от Солнца вследствие движения Луны по орбите. А причиной годичного уравнения (т. е. годичной периодичности в неправильностях движения Луны) служит орбитальное движение Земли, изменяющее расстояние системы Земля-Луна от Солнца.
Точными измерениями Тихо доказал, что вспыхнувшая в 1572 г. в созвездии Кассиопеи звезда (теперь мы знаем, что это был взрыв сверхновой звезды, породивший Крабовидную туманность), находится далеко за пределом атмосферы Земли. Наблюдая кометы в 1577 г. и позже, он доказал, что и они не возникают в земной атмосфере, а движутся за орбитой Луны. Эти открытия разрушили схоластический тезис о неизменности небес и привели к отказу от космологии Аристотеля.
Законы Кеплера
Наблюдения Тихо Браге, обработанные после его смерти Иоганном Кеплером (1571-1630), способствовали триумфу учения Коперника. Более того, Кеплер представил движение планет в совершенно новом свете. Он нашел, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце; что радиус-вектор, соединяющий планету с Солнцем, за равные промежутки времени заметает равные площади; и что квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца. Публикация трех законов планетных движений Кеплера (1609-1619) и рассчитанные им по этим законам планетные таблицы (1627) значительно укрепили теорию Коперника. Однако попытки Кеплера дать физическое объяснение своим законам на основе механики Аристотеля оказались безуспешными.
Революция в механике началась, благодаря великому современнику Кеплера итальянцу Галилео Галилею (1564-1642). Путем экспериментов он доказал, что не требуется прикладывать силу для поддержания равномерного и прямолинейного движения тела. Этот принцип инерции стал первым законом механики Ньютона, объяснившей движение планет. В 1610 г. Галилей усовершенствовал изобретенную незадолго до этого подзорную трубу и первым применил ее в астрономии. В свой телескоп он открыл горы на Луне, четыре крупнейших спутника Юпитера, фазы у Венеры, пятна на Солнце. Он увидел, что Млечный Путь состоит из отдельных звезд и обнаружил загадочные «придатки» у Сатурна (как позже выяснилось - кольцо). Эти открытия окончательно разрушили традиционной представление о Вселенной в пользу теории Коперника.
Вероятно, Рене Декарт в 1644 г. первым ясно сформулировал принцип инерции, Роберт Гук в 1666 приложил его к теории движения планет, а Исаак Ньютон (1642-1727) в своих «Математических началах натуральной философии» (1687) утвердил его как закон движения. Ньютон доказал, что движение Луны вокруг Земли подчиняется силе тяжести, убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния. Идея о всемирном тяготении помогла объяснить эллиптические орбиты планет и прецессию земной оси.
Современная астрономия
В конце 19-го века астрономия преобразилась благодаря изобретению фотографии, позволившей объективно документировать небесные явления для их неоднократного дальнейшего изучения. Вторым важным изобретением стал спектроскоп. В 1672 г. Ньютон описал получение спектра солнечного света. Около 1814 г. Йозеф Фраунгофер открыл, что полоса спектра пересечена множеством темных линий. К середине 19-го века поняли, что раскаленные пары любого вещества дают характерный спектр из ярких линий. В 1848 Леон Фуко заметил, что пламя с натрием, помещенное перед электрической дугой, поглощает желтую часть ее излучения. Совпадение линий излучения и поглощения для многих элементов было доказано Густавом Кирхгофом после 1859 г. Он понял, что горячее ядро Солнца покрыто более холодной атмосферой, создающей в спектре фраунгоферовы линии поглощения. Основанный на этом анализ содержания химических элементов в атмосферах Солнца и звезд был развит Уильямом Хёггинсом (1824-1910).
Начатая Хёггинсом классификация звезд по их спектрам была развита Пьетро Анджело Секки (1818-1878), Германом Карлом Фогелем (1841-1907) и в колоссальной работе гарвардских астрономов под руководством Эдуарда Чарлза Пикеринга (1846-1919). Используя эффект смещения линий в спектре движущегося источника, открытый Доплером в 1842 г., Фогель в 1892 г., а затем Хёггинс стали измерять скорости приближения и удаления звезд.
Солнце
В 1843 Генрих Швабе сообщил, что количество пятен на Солнце изменяется с 11- летней периодичностью. Вскоре обнаружили сопутствующие этому изменения в геомагнитных явлениях. Начиная с 1866 Норман Локьер (1836-1920) стал использовать спектроскоп для изучения Солнца. Изобретенный Джорджем Хейлом (1890) и Анри Деландром (1891) спектрогелиограф дал возможность фотографировать Солнце в линии одного химического элемента; это позволило изучать распределение элементов и структуру пятен и протуберанцев.
Калориметрические измерения Джона Гершеля (1792-1871), Клода Пуйе (1791-1868) и Чарлза Аббота (1872-1973) позволили определить «солнечную постоянную» - поток солнечной энергии на единицу поверхности Земли, и, зная расстояние до Солнца, вычислить его полную светимость. На основании закона Йозефа Стефана (1879) о связи температуры тела с его излучением было найдено, что температура поверхности Солнца около 6000 °С. В 1848 г. Юлиус Роберт Майер предположил, что источником энергии Солнца служит падение на него метеоритов, а Герман Гельмгольц в 1854 г. привлек для этого сжатие Солнца. Но в 1939 г. Ганс Бете и Карл Вейцзеккер показали, что источником излучения Солнца служат термоядерные процессы в его недрах. Это позволило построить теорию внутреннего строения и эволюции звезд, надежно подтвержденную астрономическими наблюдениями (1960-80 гг.) и измерениями нейтринного потока от Солнца (1968-2002 гг.). В последние годы строение Солнца успешно изучают методами гелиосейсмологии, регистрируя флуктуации солнечной поверхности, вызванные выходом из недр звуковых волн.
Планеты
За всю эпоху астрономических наблюдений в Солнечной системе были открыты лишь две большие планеты - Уран и Нептун. Вильям Гершель (1738-1822) случайно обнаружил Уран 13 марта 1781 г., заметив диск планеты. Дальнейшие наблюдения Урана указали на возмущения в его движении, которые были приписаны влиянию более далекой планеты. Урбен Леверье (1811-1877) вычислил положение этой гипотетической планеты и по его указанию она была открыта 23 сентября 1846 г. в Берлинской обсерватории Иоганном Галле. Ее назвали Нептуном.
В ходе поисков планеты за Нептуном Клайд Томбо на Ловелловской обсерватории в 1930 г. нашел Плутон, который в 20 веке тоже считали планетой. Однако после 2004 г. на периферии Солнечной системы было обнаружено несколько тел подобных Плутону, и все они были в 2006 г. выделены в особую группу планет-карликов. В нее же вошел и крупнейший астероид Церера. Детальное изучение планет, астероидов и комет сейчас ведется с борта автоматических аппаратов, но массовое обнаружение объектов Солнечной системы (открыто уже более 500 тыс.) и наблюдение за их движением осуществляется с помощью наземных телескопов.
Звезды
Изучая небо в конце 18-го века, Вильям Гершель обнаружил двойные звезды, т. е. пары звезд, обращающихся под действием взаимного притяжения вокруг общего центра массы. Расстояния до звезд были впервые измерены в 1835-1839 гг., когда В. Я. Струве , Ф. Бессель и Т. Хендерсон определили параллаксы ближайших звезд.
Взамен распространенному в 19-м веке взгляду, что звезды только остывают в процессе эволюции, Джозеф Норман Локьер (1836-1920) предположил на основе «метеоритной гипотезы» небесных тел (1888), что в процессе аккумуляции и сжатия звезды разогреваются, достигают максимальной температуры и лишь затем начинают остывать. Эту идею в 1913 г. поддержал Генри Н. Рассел, обнаруживший, что холодные красные звезды составляют два класса с совершенно разной светимостью. Это же деление красных звезд на гигантов и карликов независимо открыл Эйнар Герцшпрунг (1873-1967). На основе современной физики теория внутреннего строения звезд начала развиваться с 1916 г. трудами Артура Эддингтона (1882-1944), Джеймса Джинса (1877-1946) и Эдуарда Милна (1896-1950). Мощный импульс эта теория получила с появлением компьютеров в середине 1950-х. Но и сейчас ее нельзя назвать завершенной, поскольку наблюдаемые явления в жизни звезд чрезвычайно разнообразны и не все из них находят объяснение.
Галактики
Томас Райт в 1750 г. и Вильям Гершель в 1784 г. объяснили явление Млечного Пути как наблюдаемую нами гигантскую совокупность звезд, сосредоточенных в плоском слое, вблизи средней плоскости которого находится Солнце. Гершель начал подсчеты звезд для изучения формы Галактики, а продолживший эти статистические исследования Якобус Корнелиус Каптейн (1851-1922) открыл в 1904 г. «звездные потоки», указавшие на вращение Галактики. Харлоу Шепли (1885-1972) определил положение центра Галактики и оценил ее размер по распределению в пространстве шаровых звездных скоплений.
Гершель подозревал, что некоторые туманности являются далекими звездными системами, подобными Галактике. Однако Хёггинс обнаружил в спектрах многих туманностей яркие линии, указывающие на их газовую природу. Противоречие разрешилось в первой половине 20-го века, когда выяснилось, что существуют как газовые межзвездные туманности, принадлежащие нашей Галактике, так и далекие звездные системы, - галактики, изучение и классификацию которых выполнил Эдвин Хаббл (1889-1953). Он показал, что практически все галактики удаляются от нас со скоростями, пропорциональными расстоянию до них (закон Хаббла) и таким образом открыл «расширение Вселенной». Факт горячего начала процесса расширения - Большого взрыва - подтвердился открытием реликтового излучения (1965 г.). Измерение расстояний до далеких галактик показало в 1998 г., что в последние миллиарды лет расширение Вселенной происходит с ускорением; причина этого «антигравитационного» эффекта пока не ясна.
Астрономические инструменты и приборы
К астрономическим инструментам можно отнести те инструменты, приборы, приспособления, которые прямо предназначены только для проведения измерений или других исследований астрономических явлений и астрономических объектов. Более универсальные инструменты и приборы, также часто применяемые в астрономических наблюдениях (так обычно называются исследования астрономических объектов, чтобы подчеркнуть пассивную роль исследователя в этом процессе), например, компьютер, как правило, не относят к астрономическим инструментам.
Развитие астрономических инструментов тесно связано с развитием астрономии как науки. Известны случаи, когда новая технология, воплощенная в астрономических приборах, предъявляя новые факты, давала значимый толчок новым идеям в астрономии. Также бывало и наоборот, новые астрономические идеи создавали потребность в разработке технологически новых инструментов и приборов, которые смогли бы предоставить необходимые данные об астрономических объектах.
Астрономические наблюдения начались гораздо раньше, чем появились первые астрономические инструменты, так для определения линии север-юг или высоты Солнца использовались любые ориентиры на местности или подходящие предметы и сооружения. Но постепенно требования к точности проведения астрономических измерений привели к созданию специальных установок. Самым древним астрономическим инструментом считается гномон - вертикальный шест известной длины с неким подобием шкалы, нанесенной на выровненной площадке у основания. Затем появились армиллярные сферы, квадранты, сектанты и прочие инструменты, предназначенные для определения абсолютного или взаимного положения астрономических объектов, видных невооруженным глазом. Соответственно, и содержание астрономических наблюдений сводилось к определению положения небесных светил и закономерностей в их движениях. Повышение точности измерений осуществлялось главным образом за счет увеличения размеров этих инструментов и за счет повышения точности различного вида часов.
Ситуация кардинальным образом начала меняться после появления телескопа - оптического прибора, собирающего свет с большей площади, нежели это делает глаз человека, и преобразующий направление прихода света так, что маленькое различие в направлениях становится большим и легко обнаруживаемым (Оптические телескопы). Эти две основных функции стали определяющим для понятия телескоп, и в настоящее время этим термином называются инструменты, работающие в других спектральных диапазонах электромагнитного излучения (например гамма-телескоп, радиотелескоп), а также применяемые для регистрации различных частиц (нейтринный телескоп).
Сильно изменившись, телескоп является основным астрономическим инструментом и прибором. С точки зрения оптической конструкции телескопы подразделяются на зеркальные, линзовые и зеркально-линзовые. Тип телескопа определяется исходя их особенностей его назначения. В свою очередь, зеркальные телескопы подразделяются по названию использованной оптической схемы: зеркальный телескоп системы Кассегрена, системы Ричи-Кретьена, трехзеркальная система телескопа LSST, зеркально-линзовый широкоугольный телескоп системы Максутова, камера Шмидта и т.д. По особенностям установки телескопа они разделяются на наземные на экваториальной или азимутальной монтировке и космические. Существует ИК телескоп, установленный на борту самолета (SOPHIA). Разрабатывались телескопы для наблюдений с аэро- и стратостатов.
Для наблюдений в разных спектральных диапазонах конструкции телескопов приходится оптимизировать вплоть до кардинального изменения облика (гамма-телескопы, рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные телескопы, суб-миллиметровые, миллиметровые, сантиметровые радиотелескопы и т.п.).
Существует также классификация по назначению телескопа, основное разделение касается солнечных и ночных наблюдений. Телескопы для исследования Солнца имеют ряд особенностей связанных со спецификой измерений такого мощного светового и протяженного источника и подразделяются далее по более узкому предназначению: хромосферный и фотосферный телескоп, коронограф и т.п.
Современные оптические телескопы для наблюдения звезд и внегалактических объектов имеют общие характерные особенности, определяемые текущим технологическим состоянием. Крупнейшие телескопы имеют схожие оптические схемы (система Ричи-Кретьена), характерный размер главного зеркала 8-11 м, встроенную систему активной оптики, контролирующей сравнительно медленные изменения параметров оптики и трубы телескопа, и оптимизированы для астрономических исследований в видимом и близком инфракрасном диапазонах спектра. Для достижения максимальной эффективности эти телескопы оснащаются системами адаптивной оптики. В некоторых случаях несколько телескопов объединяются в один комплекс, образуя звездный интерферометр с достаточно длинной базой, например, система из четырех телескопов VLB Южной европейской обсерватории на г. Параналь может образовывать интерферометр VLBI.
Проектируемые телескопы следующего поколения будут иметь диаметр главного зеркала порядка 30-50 м, что еще на два порядка увеличит их возможности. Эти телескопы изначально предназначены только для работы с системами адаптивной оптики различных типов. Их оптические схемы, как правило, оригинальны и содержат 3-4 зеркала. Современные телескопы - это уникальные, прецизионные, громадные и дорогостоящие инструменты. По своим размерам и стоимости (десятки и сотни миллионов долларов) они уступают разве что гигантским ускорителям элементарных частиц. Методом повышения эффективности их работы является установка такого инструмента в месте, обладающем хорошим и отличным астроклиматом.
Собранное телескопом излучение направляется на специальный астрономический прибор, назначение которого - пространственно или спектрально проанализировать излучение и зарегистрировать его для последующего хранения, измерения и анализа. Специфика астрономических измерения имеет особое отличие от обычного физического эксперимента - оно не может быть повторено в тех же самых условиях. Каждое астрономическое измерение - это некий временной срез реально части существующей и эволюционирующей Вселенной.
Астрономические навесные приборы (хотя они могут быть и установлены на неподвижной платформе телескопа) отличаются от обычных лабораторных аналогов повышенными требованиями к надежности, жесткости, термостабильности, эффективности пропускания света и чувствительности, поскольку предназначены для исследования предельно слабых астрономических объектов. В некоторых случаях речь идет об анализе единиц и десятков фотонов, приходящих от определенного источника. Время измерения может достигать нескольких часов. Типичными представителями таких приборов являются спектрографы, фотометры-поляриметры, часто они делаются многоканальными и многообъектными, чтобы не терять наблюдательное время.
В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах с 90-х годов прошлого столетия в качестве детектора используются многоэлементные фотоэлектрические приборы - как правило ПЗС камеры, обладающие почти 100% квантовым выходом и чувствительные в достаточно широком спектральном диапазоне. Современные астрономические ПЗС камеры имеют типичные размер 4 тысячи на 4 тысячи фоточувствительных ячеек и шумы, эквивалентные одному упавшему фотону. Однако и такой размер не обеспечивает некоторые потребности астрономических измерений, поэтому детекторы часто объединяются в мозаики, позволяющие одновременно получать изображение участка звездного неба размером 40 тыс на 40 тыс элементов разрешения. Каждый такой снимок занимает в памяти компьютера объем в несколько гигабайт. На протяжении одной наблюдательной ночи может быть получена информация общим объемом несколько терабайт.
Астрономические инструменты и приборы - уникальные изделия современной технологии, позволяющие добиваться решения существующих проблем современной астрономии и физики.
Мало найдется на земле людей, которые не замирали бы в восхищении перед величественной картиной звездного неба. Глядя на это сияющее и переливающееся великолепие, невольно задаешься вопросами: что там? Как устроены эти далекие миры? Есть ли там живые существа? На эти и на многие другие подобные вопросы отвечает наука АСТРОНОМИЯ.
Слово «астрономия» происходит от древнегреческих слов ἀστήρ, ἄστρον (астер, астрон - «звезда») и νόμος (номос - «обычай, установление, закон»). Это наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и образованных ими систем.
Разделы астрономии
Круг предметов и явлений, изучаемых астрономией, очень велик: Солнце, другие звёзды, планеты Солнечной системы и их спутники, внесолнечные планеты (экзопланеты), астероиды, кометы, метеориты, межпланетное вещество, межзвёздное вещество, пульсары, чёрные дыры, туманности, галактики и их скопления, квазары и многое другое. В связи с этим, наука астрономия делится на основные разделы:
астрометрия - изучает движения светил и их видимые положения;
небесная механика – изучает законы движений небесных тел, определяет массу и форму небесных тел и устойчивость их систем;
астрофизика - изучает строение, физические свойства и химический состав небесных объектов;
космогония (греч. kosmogonía, от kósmos - мир, Вселенная и gone, goneia - рождение) - область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем: звёзд и звёздных скоплений, галактик, туманностей, Солнечной системы и всех входящих в неё тел - Солнца, планет (включая Землю), их спутников, астероидов (или малых планет), комет, метеоритов;
космология (космос + логос, греч.λόγος – слово, речь, мысль) - изучает свойства и эволюцию Вселенной в целом. Астрономия – очень древняя наука, ведь любознательные люди существуют не только в наше время, были они и в глубокой древности. Но тогда, в отсутствие мощных технических средств изучения, о многом можно было только догадываться, строить предположения или теоретические гипотезы на основе математических вычислений. Когда появился первый телескоп, астрономия получила значительно большие возможности. К XX веку она уже накопила огромный материал о жизни и развитии Вселенной, поэтому условно разделилась на две ветви: наблюдательную и теоретическую. Полученные путем наблюдения данные затем анализируются, создаются компьютерные, математические и аналитические модели для изучения Вселенной, а затем эти теоретические выводы и гипотезы подтверждает или опровергает наблюдательная астрономия.
Большой вклад в развитие науки внесла любительская астрономия . Но о ней мы будем говорить отдельно.
Задачи астрономии
В задачи науки астрономии входит:
1. Изучение видимых и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы.
2. Изучение строения небесных тел, исследование химического состава и физических свойств (плотности, температуры и т. п.) вещества в них.
3. Решение проблем происхождения и развития отдельных небесных тел и образуемых ими систем.
4. Изучение наиболее общих свойств Вселенной, построение теории наблюдаемой части Вселенной - Метагалактики.
В области изучения небесных тел накоплена уже довольно богатая информация. А вот изучение строения небесных тел стало возможным в связи с появлением спектрального анализа и фотографии. Изучение физических свойств небесных тел началось во второй половине XIX в., а основных проблем - лишь в последние годы. Так что здесь для вас, молодые астрономы, работы очень много. Для окончательного решения проблем происхождения и развития отдельных небесных тел требуется накопление полученного в результате наблюдений материала. Сейчас еще таких данных недостаточно для точного описания процесса происхождения и развития небесных тел и их систем. Поэтому знания в этой области ограничиваются только общими соображениями и рядом более или менее правдоподобных гипотез. Так что и в этой области молодым астрономам будет что открывать.
Последняя задача (создание теории об общих свойствах Метагалактики) – наиболее сложна, так как для ее решения требуются наблюдательные данные в областях Вселенной, находящихся на расстояниях в несколько миллиардов световых лет, а современные технические возможности пока этого не позволяют. Но эта задача сейчас является наиболее актуальной, ее решить пытаются астрономы ряда стран, в том числе и России.
1. Что изучает астрономия. Связь астрономии с другими науками, ее значение
Астрономия * - наука, изучающая движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем. Накопленные ею знания применяются для практических нужд человечества.
* (Это слово происходит от двух греческих слов: астрон - светило, звезда иномос - закон. )
Астрономия является одной из древнейших наук, она возникла на основе практических потребностей человека и развивалась вместе с ними. Элементарные астрономические сведения были известны уже тысячи лет назад в Вавилоне, Египте, Китае и применялись народами этих стран для измерения времени и ориентировки по сторонам горизонта.
И в наше время астрономия используется для определения точного времени и географических координат (в навигации, авиации, космонавтике, геодезии, картографии). Астрономия помогает исследованию и освоению космического пространства, развитию космонавтики и изучению нашей планеты из космоса. Но этим далеко не исчерпываются решаемые ею задачи.
Наша Земля является частью Вселенной. Луна и Солнце вызывают на ней приливы и отливы. Солнечное излучение и его изменения влияют на процессы в земной атмосфере и на жизнедеятельность организмов. Механизмы влияния различных космических тел на Землю также изучает астрономия.
Курс астрономии завершает физико-математическое и естественнонаучное образование, получаемое вами в школе.
Современная астрономия тесно связана с математикой и физикой, с биологией и химией, с географией, геологией и космонавтикой. Используя достижения других наук, она в свою очередь обогащает их, стимулирует их развитие, выдвигая перед ними все новые задачи.
Изучая астрономию, необходимо обращать внимание на то, какие сведения являются достоверными фактами, а какие - научными предположениями, которые со временем могут измениться.
Астрономия изучает в космосе вещество в таких состояниях и масштабах, какие неосуществимы в лабораториях, и этим расширяет физическую картину мира, наши представления о материи. Все это важно для развития диалектико-материалистического представления о природе.
Предвычисляя наступление затмений Солнца и Луны, появление комет, показывая возможность естественнонаучного объяснения происхождения и эволюции Земли и других небесных тел, астрономия подтверждает, что предела человеческому познанию нет.
В прошлом веке один из философов-идеалистов, доказывая ограниченность человеческого познания, утверждал, что, хотя люди и сумели измерить расстояния до некоторых светил, они никогда не смогут определить химический состав звезд. Однако вскоре был открыт спектральный анализ, и астрономы не только установили химический состав атмосфер звезд, но и определили их температуру. Несостоятельным оказались и многие другие попытки указать границы человеческого познания. Так, ученые сначала теоретически оценили температуру лунной поверхности, затем измерили ее с Земли при помощи термоэлемента и радиометодов, потом эти данные были подтверждены приборами автоматических станций, созданных и посланных людьми на Луну.
2. Масштабы Вселенной
Вы уже знаете, что естественный спутник Земли - Луна является ближайшим к нам небесным телом, что наша планета вместе с другими большими и малыми планетами входит в состав Солнечной системы, что все планеты обращаются вокруг Солнца. В свою очередь Солнце, как и все звезды, видимые на небе, входит в состав нашей звездной системы - Галактики. Размеры Галактики так велики, что даже свет, распространяющийся со скоростью 300 000 км/с, проходит расстояние от одного ее края до другого за сто тысяч лет. Подобных галактик во Вселенной множество, но они очень далеки, и мы невооруженным глазом можем видеть лишь одну из них - туманность Андромеды.
Расстояния между отдельными галактиками обычно в десятки раз превосходят их размеры. Чтобы яснее представить себе масштабы Вселенной, внимательно изучите рисунок 1.
Звезды являются наиболее распространенным типом небесных тел во Вселенной, а галактики и их скопления - ее основными структурными единицами. Пространство между звездами в галактиках и между галактиками заполнено очень разреженной материей в виде газа, пыли, элементарных частиц, электромагнитного излучения, гравитационных и магнитных полей.
Изучая законы движения, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем, астрономия дает нам представление о строении и развитии Вселенной в целом.
Проникнуть в глубины Вселенной, изучить физическую природу небесных тел можно при помощи телескопов и других приборов, которыми располагает современная астрономия благодаря успехам, достигнутым в различных областях науки и техники.
