Поднимая глаза к звездному небу в теплую летную ночь, каждый из нас задумывается - а что там, как все это устроено и кто мы в этой Вселенной? Мысли о бренности земного существования и необъятности космического, мысли о великом и малом, о том, что небо - это черный бархат, а звезды это капли молока, а днем, наверно, будут облака… Все это лирика, а ученые вглядываются в звездное небо совсем с другим подходом. И результаты их исследований поражают с каждым разом все более. Так чем же занимается наука астрономия? И зачем она нужна?
Что изучает наука Астрономия?
Астрономия - это наука, которая занимается изучением строения . Она изучает расположение, движение, физическую природу, происхождение и эволюцию небесных тел и систем. Фундаментальные свойства окружающей нас Вселенной также являются предметом изучения астрономии. Если более конкретно, то астрономия изучает Солнце и другие звезды, планеты и их спутники, черные дыры, галактики и туманности, квазары, астероиды и многое другое. Астрономия - это такая наука, которая призвана объяснить непонятные явления, происходящие во Вселенной и объясняющие нашу жизнь.
Когда появилась Астрономия?
Можно сказать, что астрономия появилась в тот момент, когда человек начал задавать себе вопросы об устройстве нашего мира. Первые представления о Вселенной были весьма примитивными, они исходили из религии. Уже с 6-4 в. До н.э. люди начали изучать звезды и их движение. С развитие математических знаний и физических исследований совершенствовались представления человека о Вселенной. Первая астрономическая революция произошла в 1500 г. до н.э. - именно тогда возникла сферическая астрономия, появились точные календари, а значит астрометрия. Жрецы Вавилона, которые составляли астрономические таблицы, календари племен майя, сведения, сохранившиеся со времен Древнего Китая и Древнего Египта - все это стояло у истоков астрономии. Впервые древнегреческие ученые, в частности Пифагор, предположили, что Земля имеет форму шара, Аристарх Самосский - что земля вращается вокруг . Основным достижением этого периода является возникновение геоцентрической теории мира. Существенный вклад в развитие астрономии внес Галилей.
Астрономия как хобби
Астрономия и космонавтика всегда интересовала и привлекала миллионы людей. Астрономов любителей в мире не счесть, часто именно благодаря ним сделано много астрономических открытий. Например, в 2009 году австралиец Энтони Уэсли, наблюдая за Юпитером, обнаружил следы падения космического тела на планету, предположительно это могла быть комета.
С помощью астрономии мы познаем законы природы и наблюдаем постепенную эволюцию нашего мира. Астрономия во многом определяет мировоззрение людей. В начале XXI века стали популярны космические темы о и пришельцах, к сожалению, очень часто весьма некомпетентные. Интерес журналистов, не разбирающихся в вопросах космоса, мнения ученых, основанные на неподтвержденных фактах, заставляют многих людей верить в псевдонаучные открытия.
Сегодня создано и создается огромное количество качественных научных видеофильмов о космосе, различных звездах, планетах и галактиках: великолепно выполненная графика и реальные съемки из космоса не оставят вас равнодушными и помогут лучше понять эту интересную науку - астрономию. Некоторые из таких фильмов вы можете посмотреть ниже.
Астрономия
Астрономия (образована от древнегреческих слов "астер, астрон" - «звезда», и "номос" - «обычай, установление, закон») - это наука, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и развитие небесных тел. Иными словами, астрономия - наука о .
Ещё в глубокой древности люди обратили внимание на небосвод, следили за небесными телами, обратили внимание на взаимосвязь движения небесных светил и периодического изменения погоды. По расположению и люди определяли наступление новых времен года, а кочевые племена ориентировались по ним в своих путешествиях. В результате постоянного летоисчисления древние люди были вынуждены создать календарь. Есть доказательства, что еще доисторические люди знали об основных явлениях, связанных с восходом и заходом Солнца, Луны и некоторых звезд. Периодическая повторяемость затмений Солнца и Луны была известна уже очень давно. Среди древнейших письменных источников встречаются описания астрономических явлений, а также примитивные расчетные схемы для предсказания времени восхода и захода ярких небесных тел. Астрономия получила успешное развитие у таких цивилизаций как китайцев, греков, майя, вавилонян и индейцев. Особенное больших успехов достигла астрономия Древней Греции. Пифагор был первым, кто предположил, что Земля имеет шарообразную форму. Аристарх Самосский высказал предположение, что Земля вращается вокруг Солнца. Гиппарх во 2 в. до н. э. составил один из первых звездных каталогов. В произведении Птолемея «Альмагест», изложены теории о геоцентрической системе мира, которая была общепринятой на протяжении почти полутора тысяч лет.
В средневековье астрономия достигла своего развития в странах Востока. В 15 в. Улугбек построил вблизи Самарканда (город в современном Узбекистане) обсерваторию с точными в то время инструментами. Здесь был составлен первый после Гиппарха каталог звёзд. С 16 в. начинается развитие астрономии в Европе.
Рождение современной астрономии связывают с отказом от геоцентрической системы мира Птолемея и заменой ее гелиоцентрической системой Николая Коперника, созданной в 16 веке, а также с момента изобретения первого в мире Галелеевского телескопа. 18-19 века были для астрономии периодом накопления сведений и знаний о , нашу и физическую природу звезд, Солнца, планет и других космических тел. Появление крупных телескопов и осуществления систематических наблюдений привели к открытию, что Солнце входит в состав огромной дискообразной системы, состоящей из многих миллиардов звезд - галактики. В начале XX века астрономы обнаружили, что эта система является одной из миллионов подобных ей галактик. Открытие других галактик стало толчком для развития внегалактической астрономии.
В 20 веке астрономия разделилась на две основные ветви: наблюдательную астрономию и теоретическую. Наблюдательная астрономия - это получение наблюдательных данных о небесных телах, которые затем анализируются. Теоретическая астрономия ориентирована на разработку компьютерных, математических или аналитических моделей для описания астрономических объектов и явлений. сосредоточена на наблюдениях небесных тел, которые затем анализируют с помощью основных законов физики. Эти ветви взаимосвязаны друг с другом: теория предполагает, наблюдение доказывает. Научно-техническая революция 20 века имела чрезвычайно большое влияние на развитие астрономии в целом и особенно астрофизики. Создание оптических и радиотелескопов с высоким разрешением, применение ракет и искусственных спутников Земли для внеатмосферных астрономических наблюдений привели к открытию новых видов космических тел: радиогалактик, квазаров, пульсаров, источников рентгеновского излучения и т. д.. Были разработаны основы теории эволюции звезд и космогонии Солнечной системы. Достижением астрофизики 20 века стала релятивистская космология - теория эволюции Вселенной в целом.
Информация об объектах космоса получается в результате обнаружения и анализа видимого света, а также других спектров электромагнитного изучения в космосе. Соответственно, астрономические наблюдения можно разделить в соответствии с областями электромагнитного спектра, в которых проводятся измерения. Какие-то объекты мы можем наблюдать с Земли, но есть то, чего не видно из-за нашей атмосферы. Поэтому для того, чтобы заглянуть намного дальше, в космосе, на орбите нашей планеты, работают специальные космические телескопы.
И так, типы астрономических наблюдений следующие:
Оптическая астрономия.
Является исторически первой. Телескопы, способные принимать видимый свет, являются инструментами данного типа астрономии. Исследования изучаемых объектов основываются на изучении зарисовок этих объектов (в древнее время) или с помощью фотографий.
Инфракрасная астрономия.
Изучает объекты космоса, способные излучать инфракрасное излучение. Под инфракрасным излучением подразумевают электромагнитные волны с длиной волны от 0,74 до 2000 мкм. Несмотря на то, что длина волны инфракрасного излучения близка к длине волны видимого света, инфракрасное излучение сильно поглощается атмосферой, кроме того, атмосфера Земли имеет значительное инфракрасное излучение. Поэтому обсерватории для изучения инфракрасного излучения должны быть расположены на высоких и сухих местах или в космосе. Инфракрасный спектр полезен для изучения объектов, которые являются слишком холодными, чтобы излучать видимый свет таких объектов, как планеты и вокруг звездные диски. Инфракрасные лучи могут проходить через облака пыли, поглощающие видимый свет, что позволяет наблюдать молодые звезды в молекулярных облаках и ядер галактик. Некоторые молекулы мощно излучают в инфракрасном диапазоне, и это может быть использовано для изучения химических процессов в космосе.
Ультрафиолетовая астрономия.
Применяется для детального наблюдения в ультрафиолетовых длинах волн от 10 до 320 нанометров. Свет на этих длинах волн поглощается атмосферой Земли, поэтому исследование этого диапазона выполняют из верхних слоев атмосферы или из космоса. Ультрафиолетовая астрономия лучше подходит для изучения горячих звезд (ОФ звезды), поскольку основная часть излучения приходится именно на этот диапазон. Сюда относятся исследования голубых звезд в других галактиках и планетарных туманностей, остатков сверхновых, активных галактических ядер. Однако ультрафиолетовое излучение легко поглощается межзвездной пылью, поэтому во время измерения следует делать поправку на наличие пыли в космической среде.
Радиоастрономия.
Радиоастрономия - это исследование излучения с длиной волны, большей чем один миллиметр. Радиоастрономия отличается от большинства других видов астрономических наблюдений тем, что исследуемые радиоволны можно рассматривать именно как волны, а не как отдельные фотоны. Итак, можно измерить как амплитуду, так и фазу радиоволны, а это не так легко сделать на диапазонах коротких волн. Хотя некоторые радиоволны излучаются астрономическими объектами в виде теплового излучения, большинство радиоизлучения, наблюдаемого с Земли, является по происхождению синхротронным излучением, которое возникает, когда электроны движутся в магнитном поле. В радиодиапазоне может наблюдаться широкое разнообразие космических объектов, в частности сверхновые звезды, межзвездный газ, пульсары и активные ядра галактик.
Рентгеновская астрономия.
Рентгеновская астрономия изучает астрономические объекты в рентгеновском диапазоне. Обычно объекты излучают рентгеновское излучение благодаря:
1. синхротронному механизму;
2. тепловое излучение тонких слоев газа, нагретых выше 10 7 K (Кельвинов);
3. тепловое излучение массивных газовых тел, нагретых свыше
10 7
K.
Рентгеновские наблюдения основном выполняют из орбитальных станций, ракет или космических кораблей. К известным рентгеновских источников в космосе относятся: рентгеновские двойные звезды, пульсары, остатки сверхновых, эллиптические галактики, скопления галактик, а также активные ядра галактик.
Гамма-астрономия.
Астрономические гамма-лучи появляются в исследованиях астрономических объектов с короткой длиной волны электромагнитного спектра. Большинство источников гамма-излучения является фактически источниками гамма-всплесков, которые излучают только гамма-лучи в течение короткого промежутка времени от нескольких миллисекунд до тысячи секунд, прежде чем развеяться в пространстве космоса. Только 10% от источников гамма-излучения не является переходным источниками. Стационарные гамма-источники включают пульсары, нейтронные звезды и кандидаты на черные дыры в активных галактических ядрах.
Астрометрия. Небесная механика.
Один из старейших подразделов астрономии, занимается измерениями положение небесных объектов. Эта отрасль астрономии называется астрометрией. Исторически точные знания о расположении Солнца, Луны, планет и звезд играют чрезвычайно важную роль в навигации. Тщательные измерения расположения планет привели к глубокому пониманию гравитационных возмущений, что позволило с высокой точностью определять их расположение в прошлом и предусматривать на будущее. Эта отрасль известна как небесная механика. Сейчас отслеживания околоземных объектов позволяет прогнозирования сближения с ними, а также возможные столкновения различных объектов с Землей.
Также, существует такое понятие, как любительская астрономия.
Эта астрономия относится к такой, в которой вклад любителей может быть значительным. Вообще все астрономы-любители наблюдают различные небесные объекты и явления в большем объеме, чем ученые, хотя их технический ресурс намного меньше возможности государственных институтов, иногда оборудование они строят себе самостоятельно. Наконец большинство ученых вышли именно из этой среды. Главные объекты наблюдений астрономов-любителей: Луна, планеты, звезды, кометы, метеорные потоки и различные объекты глубокого неба, а именно: звездные скопления, галактики и туманности.
Одна из ветвей любительской астрономии, любительская астрофотография, предусматривает фотофиксацию участков ночного неба. Многие любители хотели бы специализироваться в наблюдении отдельных предметов, типов объектов, или типов событий, которые интересуют их. Большинство любителей работающих в видимом спектре, но небольшая часть экспериментирует с длиной волны за пределами видимого спектра. Это включает в себя использование инфракрасных фильтров на обычных телескопах, а также использование радиотелескопов. Пионером любительской радиоастрономии является Карл Янский, наблюдавший небо в радиодиапазоне 1930 года. Некоторые астрономов-любителей использует как домашние телескопы, так и радиотелескопы, которые изначально были построены для астрономических учреждений, но теперь доступны для любителей.
Астрономы-любители и в дальнейшем продолжают вносить свой вклад в астрономию. Действительно, она является одной из немногих дисциплин, где вклад любителей может быть значительным. Довольно часто они проводят точечные измерения, которые используются для уточнения орбит малых планет, отчасти они также проявляют кометы, выполняют регулярные наблюдения переменных звезд. А достижения в области цифровых технологий позволило любителям добиться впечатляющего прогресса в области астрофотографии.
Наука, которая изучает Вселенную и является одной из самых древних у человечества, - астрономия. Это слово состоит из двух греческих: "номос" - "закон", и "астрон" - "светило, звезда". В совокупности можно перевести этот термин как "закон звёзд". Астрономия - это целые тысячелетия наблюдений за небом, когда накапливаются разнообразные знания. Нужно отметить, что по сравнению с другими науками уровень этой науки был чрезвычайно высок уже в древности.
Тогда и сейчас
Названия созвездий мы знаем неизменно одни и те же на протяжении многих десятков веков. Наши далёкие предки знали их все, они умели рассчитать восход и заход Солнца, планет, Луны, всех самых крупных звёзд задолго до наступления нашей эры. Более того, учёные уже тогда умели предсказывать солнечные и лунные затмения. Астрономия - это главная наука в жизни древнего человека. Охотники по звёздам находили дорогу к дому, моряки по звёздам вели свои корабли в открытом океане. Все сельскохозяйственные работы были связаны с установленным циклом смен времён года, по светилам рассчитывалось время и составлялись календари. Даже судьбу астрологи предсказывали по звёздам.
Сейчас во многом из вышеперечисленного надобность отпала. Курс кораблей и разливы рек уже не нужно высчитывать по песочным часам, потому что появились всевозможные технические средства. Однако астрономия - это наука, у которой не может быть окончания в её развитии. И сейчас вся космонавтика зиждется на её основах, с помощью этой науки человечество пользуется системами связи, телевидением и наблюдает Землю из Космоса. Теснейшим образом теперь связываются астрономия и математика, астрономия и физика, они имеют общие методы познания, которые широко используются.
Две астрономии
Суть астрономии в древности - это наблюдение. В этой науке невозможны эксперименты, как в физике или химии, поскольку объекты изучения людям недоступны. Но значение астрономии в жизни человека и сегодня очень большое. Вся информация о небесных телах и теперь добывается из получаемых электромагнитных излучений. Но в последние несколько десятилетий учёные получили возможность изучать некоторые небесные объекты непосредственно - автоматические станции зондируют атмосферу ближайших планет, изучается их грунт.
Именно этот факт разделил астрономию на две основные части - теоретическую и наблюдательную. Последняя имеет целью получать данные из наблюдений за небесными телами, которые потом анализируются с помощью физики и её основных законов. А теоретики-астрономы разрабатывают компьютерные, математические и аналитические модели, с помощью которых описывают астрономические явления и объекты. Нужно ли говорить, что значение астрономии как науки для человечества просто огромно? Ведь эти две ветви не существуют отдельно сами по себе, они дополняют друг друга. Теория ищет объяснения по результатам наблюдений, а наблюдатели подтверждают или нет все гипотезы и теоретические выводы.
Астрономия как философская наука
Определение науки "астрономия" появилось во времена античности и благополучно живёт в наши дни. Это изучение фундаментальных законов природы нашего мира, теснейшим образом связанного с большим космосом. Именно поэтому поначалу астрономия трактовалась как наука философская. Собственный мир с её помощью познаётся через знания небесных объектов - звёзд, планет, комет, галактик, а также тех феноменов, которые то и дело происходят за пределами земной атмосферы - сияние Солнца, солнечный ветер, космическая радиация и так далее.
Даже лексическое значение слова "астрономия" говорит об этом же: закон звёзд действует и здесь, на Земле, поскольку она является частью огромного космоса, который развивается согласно единому закону. Именно благодаря ему человечеству подарены эволюция, физика, химия, метеорология и любая другая наука. Всё в мире развивается посредством определённого движения небесных тел: формируются и развиваются галактики, умирают и вновь вспыхивают звёзды. Следует всегда помнить, с чего начиналась всякая другая наука. Большое несчастье, что астрономия в школе сейчас отсутствует. Эти знания и понимание огромности и ценности мира не заменить ничем.
Двадцатый век
Итак, наблюдательная астрономия и теоретическая астрофизика составили профессиональную науку. Неустанно создавались всё новые инструменты для изучения космоса плюс к уже изобретённому в незапамятные времена телескопу. Информация собиралась и обрабатывалась, затем внедрялась теоретиками-астрофизиками в создаваемые ими модели - аналитические или компьютерные.
Значение слова "астрономия" приобрело огромный вес во всех областях человеческой науки, поскольку даже знаменитая теория относительности выстроена из фундаментальных законов астрономической физики. И, что интересно, большинство открытий сделано астрономами-любителями. Это одна из очень немногих наук, где люди, не относящиеся к ней, могут участвовать в наблюдениях и собирать для неё данные.
Астрономия и астрология
Современные школьники (да и студенты) вполне часто путают науку и систему верований, всё-таки сказывается отсутствие соответственных уроков в школьных программах. Астрология давно считается лженаукой, в которой утверждается, что любое человеческое дело, даже самое малое, зависит от положения светил. Конечно, два этих названия происходят из одного корня, но системы познания у той и другой абсолютно противоположные.
Астрономия же позволила человеку сделать громадный скачок в понимании законов Вселенной. Эта наука непознаваема до конца, всегда останется больше вопросов, на которые нет ответа, чем тех, на которые ответ найден. Сколько бы ни строилось устройств в космосе и на Земле, сколько бы ни совершалось ошеломляющих мир открытий - это только капля в океане знаний. В данный момент мы ещё не можем наверняка утверждать ни происхождение звёздной массы во всём её спектре, ни положительно или отрицательно ответить на вопрос о существовании другой жизни во Вселенной. Парадокс Ферми не разъяснён. Природа темноты не ясна. О временном периоде существования Вселенной мы ничего не знаем, как и о конкретной цели её существования.
Астрономия и история
Научившись различать звёзды и планеты, астрономы древности привязали эти знания к трансцендентности, идентифицировав все известные небесные тела с духами и богами. Тогда и появилась тупиковая ветвь науки - астрология, поскольку движение всех космических объектов крепко привязывалось к чисто земным явлениям - смене сезонов, дождям, засухам.
Тогда появились волхвы (священники, жрецы и тому подобные культовые работники), которые и считались профессиональными астрономами. Многие древние постройки - китайские храмы или Стоунхэндж, например, явно сочетали две функции - астрономическую и религиозную.
Восток и Запад
Полезного было совершено настолько много, что древние знания вполне смогли послужить основанием науки, наиболее других процветающей сегодня. По движению светил выстраивались календари - древнеримский жив до сих пор. В Китае в 2300 годах до нашей эры уже функционировала астрономическая обсерватория, она на снимке.
Оракулы в Китае уже четыре тысячи лет хранят рисунки затмений и появления новых звёзд. С шестого века до нашей эры существуют детальные астрономические наблюдения в записях - в Китае. А в Европе весь этот бум начинался только в семнадцатом веке нашей эры. Китайцы же много тысяч лет абсолютно правильно предсказывают появление комет. Там же около шести тысяч лет назад был изготовлен и первый звёздный атлас.
Древняя Греция и арабский мир
Европа в Средние века целиком и полностью прекратила всё развитие науки на своих территориях, даже греческие открытия, которые во многом оказались верны и множеством ценных вкладов внесены в науку астрономию, были преданы анафеме. Классическая античность именно поэтому дошла до наших дней в весьма скудном количестве сводных записей и компиляций.
Зато астрономия процветала в арабских странах, и священники самых дальних приходов христиан две тысячи лет назад умели рассчитать по ходу светил точную дату Пасхи. Арабы во множестве переводили труды астрономов Древней Греции, и именно там рукописи были найдены потомками в глубине сохранившихся библиотек. В арабских странах строились обсерватории уже с девятого века нашей эры. В Персии поэт и учёный Омар Хайям сопоставил огромное количество таблиц и реформировал календарь, сделав его точнее юлианского и ближе к григорианскому. В этом ему помогли постоянные наблюдения небесных тел.
Небесная механика
Вселенская гравитация стала известна миру благодаря Исааку Ньютону. Теперешние школьники слышали это имя только в связи с тремя законами физики. То, что законы эти вплотную связаны с небесной механикой, им невдомёк, поскольку уроков астрономии в школе нет.
Будет огромным счастьем узнать, что этот необходимейший предмет снова в строю. Учёный секретарь из Института космических исследований Российской академии наук Александр Захаров уверен, что существующий в стране дефицит учителей астрономии может быть пополнен быстро в случае возвращения этой дисциплины в учебный план. Директор планетария в Новосибирске Сергей Масликов уверен, что планируемое возвращение астрономии в школу вряд ли может состояться ранее, чем через пять-шесть лет. Однако министр образования и науки РФ Ольга Васильева заявляет, что этот час в неделю для изучения предмета астрономии школьникам нужно вернуть как можно быстрее.
Методы астрономических исследований
Компоненты мегамира
Космос (мегамир) – весь мир, окружающий планету Земля.
Весь космос мы наблюдать не можем по ряду причин (техническим: разбегание галактик → свет не успевает долететь).
Вселенная – часть космоса, доступная наблюдению.
Космология – изучает строение, происхождение, эволюцию и будущую судьбу Вселенной в целом.
Основу этой дисциплины составляют астрономия, физика и математика.
Астрономия (буквально – наука о поведении звезд) – более узкая отрасль космологии (наиболее важная!) – наука о строении и развитии всех космических тел.
Методы исследования в астрономии
В астрономии непосредственно можно наблюдать только объекты, испускающие электромагнитное излучение , в том числе свет.
Основную информацию получают при использовании оптических приборов.
1. Оптическая астрономия – изучает видимые (т.е. светящиеся) объекты.
Наблюдаемая, или светящаяся, материя либо сама испускает видимый свет в результате идущих внутри нее процессов (звезды), либо отражает падающие лучи (планеты Солнечной системы, туманности).
В 1608 г . Г. Галилей направил на небо свою простую подзорную трубу , совершив тем самым революцию в области астрономических наблюдений. Сейчас астрономические наблюдения проводят с помощью телескопов.
Оптические телескопы бывают 2-х типов: рефракторные (свет собирает линза → необходимы большие линзы, которые могут гнуться под собственным весом → искажение изображения) и рефлекторные (свет собирает зеркало , таких проблем нет → большинство профессиональных телескопов - рефлекторы).
В современных телескопах человеческий глаз заменен фотопластинками или цифровыми камерами , которые в состоянии аккумулировать световой поток на протяжении больших временных промежутков, что позволяет обнаруживать еще более мелкие объекты.
Телескопы устанавливаются на высоких горных вершинах, где в наименьшей степени сказывается влияние атмосферы и света больших городов на изображение. Поэтому сегодня большая часть профессиональных телескопов сконцентрирована в обсерваториях, которых не так много: в Андах, на Канарских о-вах, на гавайских вулканах (4205 м над ур. моря, на потухшем вулкане – самая высокая обсерватория в мире) и в некоторых особо изолированных местах Соединенных Штатов и Австралии.
Благодаря международным соглашениям, стрáны, в которых нет подходящих для установки телескопов мест, могут установить свою аппаратуру в местах с такими условиями.
Самый крупный телескоп – строится в Чили Южно-Европейской обсерваторией (включает систему из 4 телескопов диаметром 8,2 м каждый).
В 1990 г. на орбиту выведен оптический телескоп «Хаббл» (США) (h = 560 км).
Его длина – 13,3 м, ширина – 12 м, зеркало диаметром 2,4 м, общая масса – 11 т,
стоимость ~ 250 млн. $
Благодаря ему получено глубокое, никогда ранее недостижимое изображение звездного неба, наблюдались планетарные системы в стадии формирования, получены данные о существовании огромных черных дыр в центрах разных галактик. Телескоп должен закончить работу к 2005 г; сейчас запущен другой более современный.
2. Неоптическая астрономия – изучает объекты, испускающие ЭМ-излучение за рамками видимого света.
Электромагнитное излучение – форма электрической и магнитной энергии, которая распространяется в космосе со скоростью света. Единица измерения – длина волны (м).
ЭМ-спектр условно разделен на полосы, характеризующиеся определенным интервалом длин волн. Четкие границы между диапазонами определить нельзя, т.к. они часто перекрывают друг друга.
В XX в. радикально изменилась древнейшая наука – астрономия. Это связано, как с появлением её новой теоретической основы – релятивистской и квантовой механики, так и с расширением возможностей экспериментальных исследований.
Общая теория относительности стала одной из основополагающих теорий космологии, а создание квантовой механики дало возможность изучать не только механическое движение космических тел, но и их физические и химические характеристики. Получили развитие звездная и внегалактическая астрономия. Астрономия стала всеволновой, т.е. астрономические наблюдения проводятся на всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения (радио, инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-излучение). Ее экспериментальные возможности существенно возросли с появлением космических аппаратов, позволяющих проводить наблюдения за пределами земной атмосферы, поглощающей излучение. Все это привело к значительному расширению наблюдаемой области Вселенной и открытию целого ряда необычных (а часто и необъяснимых) явлений.
Основной инструмент астрономических исследований - телескоп, другие приборы, например спектроскопические, исследуют излучение, собираемое телескопом. Сейчас лишь малая часть астрономических работ осуществляется визуально, в основном исследования проводятся с помощью фотокамер и других регистрирующих излучение приборов. Появились радиотелескопы, позволяющие изучать радиоизлучение всевозможных объектов Солнечной системы, нашей и других галактик. Радиоастрономия чрезвычайно расширила знания о Вселенной и привела к открытию пульсаров (нейтронных звезд), квазаров – внегалактических объектов, являющихся самыми мощными из известных источников излучения, позволила получить информацию о наиболее удаленных областях Вселенной, обнаружить изотропное «реликтовое» излучение. Все это – важнейшие открытия ХХ в. Дополнительную информацию дают и исследования в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и - диапазонах, но эти излучения сильно поглощаются атмосферой, и соответствующая аппаратура устанавливается на спутниках. К выдающимся открытиям ХХ в. относится и обнаруженное в 1929 г. американским астрономом Эдвином Хабблом (1889 – 1953) увеличение длины волны, соответствующей линиям в спектрах удаленных галактик («красное смещение»), которое свидетельствует о взаимном удалении космических объектов, т.е. о расширении Вселенной.
Структура Вселенной
Солнечная система. Солнечная система – космический дом человечества. Солнце - источник тепла и света, источник жизни на Земле. Солнечная система - взаимосвязанная совокупность звезды – Солнца и множества небесных тел, к которым относятся девять планет, десятки их спутников, сотни комет, тысячи астероидов и др. Все эти разнообразные тела объединены в одну устойчивую систему благодаря силе гравитационного притяжения центрального тела – Солнца.
Солнце – плазменный шар, состоящий в основном из водорода и гелия, находящийся в состоянии дифференцированного вращения вокруг своей оси. Наибольшая скорость вращения в экваториальной плоскости – один оборот за 25,4 суток. Источником солнечной энергии, скорее всего, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, протекающие во внутренних областях солнца, где температура достигает 10 7 К. Температура поверхностных частей 6000 К. Поверхность Солнца не является гладкой, на ней наблюдаются гранулы, обусловленные конвективными газовыми потоками, возникают и исчезают «пятна», вихри. Взрывные процессы на Солнце, солнечные вспышки, периодически возникающие на его поверхности пятна, могут служить мерой активности Солнца. Исследования показали, что цикл максимальной активности Солнца регулярен и составляет приблизительно 11 лет. Пятна и вспышки на Солнце – наиболее заметные проявления магнитной активности Солнца. Связь между солнечной активностью и процессами на Земле отмечалась еще XIX веке, а в настоящее время имеется огромный статистический материал, подтверждающий влияние активности Солнца на земные процессы.
Разработанная в XVII – XVIII вв. теоретическая основа классической астрономии – классическая механика позволяет прекрасно описать движение связанных гравитационным взаимодействием тел Солнечной системы, но не дает ответа на вопрос о ее происхождении. Планеты солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон, за исключением последней движутся вокруг Солнца в одном направлении в единой плоскости по эллиптическим орбитам. Планеты, как и их спутники, не являются самосветящимися телами и видны только потому, что освещены Солнцем. С 1962 г. планеты и их спутники исследуются не только с Земли, но и с космических станций. В настоящее время накоплен обширный фактический материал об особенностях физических и химических свойств поверхности планет, их атмосферы, магнитном поле, периодах вращения вокруг оси и Солнца. По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и планеты земной группы (Меркурий, Земля, Венера, Марс). Орбита наиболее удаленной от Солнца планеты – Плутона, размер которого меньше размера спутника Земли – Луны, определяет размер Солнечной системы 1,2·10 13 м.
Солнечная система, являясь частью нашей галактики, как целое движется вокруг ее оси со скоростью 250 м/с, делая полный оборот за 225 млн. лет. Согласно современным представлениям формирование современной структуры Солнечной системы началась с бесформенной газопылевой туманности (облака). Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце – звезда второго (или более позднего) поколения, т.к. кроме обычных для звезд водорода и гелия содержит и тяжелые элементы. Элементный состав Солнечной системы характерен для эволюции звезд. Под действием гравитационных сил облако сжималось так, что самая плотная его часть находилась в центре, где сосредоточена основная масса вещества первичной туманности. Там возникло Солнце, в недрах которого затем начались термоядерные реакции превращения водорода в гелий, являющиеся основным источником энергии солнца. По мере увеличения светимости Солнца газовое облако становилось все менее однородным, в нем появились сгущения – протопланеты . С ростом размеров и массы протопланет их гравитационное притяжение усиливалось, таким образом сформировались планеты. Остальные небесные тела образованы остатками вещества исходной туманности. Итак, примерно 4,5 - 5 млрд лет назад Солнечная система окончательно сформировалась в сохранившемся до нас виде. Вероятно, еще через 5 млрд лет Солнце истощит запасы водорода, и его структура начнет изменяться, что приведет к постепенному разрушению нашей Солнечной системы.
Хотя современные представления о происхождении Солнечной системы остаются на уровне гипотез, они согласуются с идеями закономерной структурной самоорганизации Вселенной в условиях сильнонеравновесного состояния.
Звезды. Галактики. Солнце – песчинка в мире звезд. Звезда – основная структурная единица мегамира. Стационарная звезда представляет собой высокотемпературный плазменный шар в состоянии динамического гидростатического равновесия. Она является тонко сбалансированной саморегулирующейся системой. В отличие от других небесных тел, например планет, звезды излучают энергию. Энергия, генерируемая в них ядерными процессами, приводит к возникновению в недрах звезд атомов химических элементов тяжелее водорода и является источником света. Звезды – природные термоядерные реакторы, в которых происходит химическая эволюция вещества. Они сильно различаются по своим физическим свойствам и химическому составу. Наблюдаются разные типы звезд, которые соответствуют разным этапам их эволюции. Эволюционный путь звезды определяется её массой, которая меняется в основном в пределах от 0,1 до 10 масс Солнца. Звезды рождаются, изменяются и гибнут. При массе, меньшей 1,4 солнечной, звезда, пройдя стадию красного гиганта , превращается сначала в белого карлика , затем – в черного карлика , холодную мертвую звезду, размер которой сравним с размером Земли, а масса – не более солнечной. Более массивные звезды на завершающем этапе эволюции испытывают гравитационный коллапс – неограниченное стягивание вещества к центру и могут вспыхнуть как сверхновые с выбросом значительной части вещества в окружающее пространство в виде газовых туманностей и превращением оставшейся части в сверхплотные нейтронную звезду или черную дыру .
Звезды образуют галактики - гигантские гравитационно связанные системы. Наша Галактика, в которую входит Солнце, называется Млечный путь и насчитывает 10 11 звезд. Галактики разнообразны по размерам и по форме. По внешнему виду выделяют три типа галактик – эллиптические, спиральные и неправильные. Наиболее распространенными являются спиральные, к ним относится и Наша Галактика. Она представляет собой уплощенный диск с диаметром ~ 10 5 световых лет с выпуклостью в центре, откуда исходят спиральные рукава. Галактика вращается, причем быстрота вращения зависит от расстояния до ее центра. Солнечная система находится на расстоянии приблизительно 30 000 световых лет от центра галактического диска.
С Земли невооруженным глазом можно наблюдать три галактики – Туманность Андромеды (из Северного полушария) и Большое и Малое Магеллановы облака (из Южного). Всего же астрономы обнаружили около ста миллионов галактик.
Помимо миллиардов звезд галактики содержат вещество в виде межзвездного газа (водород, гелий) и пыли. Плотные газово-пылевые облака скрывают от нас центр нашей Галактики, поэтому о его структуре можно судить только предположительно. Кроме того, в межзвездном пространстве существуют потоки нейтрино и электрически заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей, а также поля (гравитационные, электромагнитные). Следует отметить, что, хотя количество молекул органических соединений в межзвездном веществе невелико, их присутствие является принципиально важным. Например, теория абиогенного происхождения жизни на Земле опирается на участие в этом процессе молекул органических веществ, электромагнитного излучения и космических лучей. Чаще всего органические молекулы встречаются в местах максимальной концентрации газопылевого вещества.
В конце 70-х годов нашего века астрономы обнаружили, что галактики во Вселенной распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Таким образом, в небольших масштабах вещество распределено очень неравномерно, но в крупномасштабной структуре Вселенной не существует каких-либо особых мест или направлений, поэтому в больших масштабах Вселенную можно считать не только однородной, но и изотропной.
Метагалактика. Мы вкратце рассмотрели структурные уровни организации вещества в мегамире. Есть ли верхняя граница в возможности наблюдения Вселенной? Современная наука отвечает на этот вопрос утвердительно. Существует принципиальное ограничение размеров наблюдаемой части Вселенной, связанное не с экспериментальными возможностями, а с конечностью её возраста и скорости света.
Космология на основе общей теории относительности Эйнштейна и закона Хаббла(см. ниже) определяет возраст Вселенной Т вс 15-20 млрд лет (10 18 с). Никаких структурных единиц до этого не существовало. Введем понятие космологического горизонта, отделяющего те объекты от которых свет за время t<Т вс до нас дойти не может. Расстояние до него
где с – скорость света в вакууме, Т вс – возраст Вселенной.
Космологический горизонт образует границу принципиально наблюдаемой части Вселенной - Метагалактики . Если принять, что возраст Вселенной 10 18 с, то размер Метагалактики имеет порядок 10 26 м, причем космологический горизонт непрерывно удаляется от нас со скоростью 3·10 8 м/с.
Важное свойство Метагалактики в современном состоянии – её однородность и изотропность, т.е. свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики и по всем направлениям. Одно из важнейших свойств Метагалактики – её постоянное расширение, «разлет» галактик. Американский астроном Э. Хаббл установил закон, согласно которому чем дальше от нас находятся галактики, тем с большей скоростью они удаляются.
Расширяющаяся Вселенная – это Вселенная изменяющаяся. А значит, у неё есть своя история и эволюция. Эволюция Вселенной как целого изучается космологией , которая в настоящее время дает описание и первых мгновений её возникновения и возможных путей развития в будущем.
Loading...