Общие черты астрономии. ЛЕКЦИИ ПО АСТРОНОМИИ. Астрономию, с древнегреческого наука о законах, которым подчиняются звезды ( звезда закон). Если расширить понятие и не ограничиваться звездами, это наука о движении и взаимодействии внеземных объектов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Глядя на звезды, человек замечает то, что привык замечать: что они смещаются, что их то видно, то не видно… И он задается теми же вопросами, которыми привык задаваться: «как?», «почему?». Эти вопросы, касающиеся небесных тел, выделили в отдельную науку – астрономию, с древнегреческого – наука о законах, которым подчиняются звезды (  = звезда + закон). Если расширить понятие и не ограничиваться звездами, это наука о движении и взаимодействии внеземных объектов. По мере изучения этих вопросов возникли другие, вот некоторые из них:происхождение внеземных объектов и Земли; рождение Вселенной в результате «большого взрыва»; последовательное образование химических элементов; образование и гибель звезд и других небесных тел. Давайте разберемся в споре, из-за которого людей несколько столетий назад сжигали на кострах. Геоцентрическая система мира («гео» – Земля, то есть система мира, в которой Земля расположена в центре, и все планеты и Солнце вращаются вокруг нее) возникла естественно: каждый день наши предки видели, как Солнце, Луна и другие объекты движутся по небу. Эта модель (модель Птолемея, см. рис. 1) существовала довольно долго еще и потому, что давала вполне пригодные предсказания.  Рис. 1. Модель Птолемея Тихо Браге собрал большой массив данных о движении планет, которое оказалось гораздо сложнее, чем предсказывалось в геоцентрической модели (см. рис. 2). И переход к системе отсчета, связанной с Солнцем (гелиоцентрической системе) позволил описать это движение намного проще.  Рис. 2. Сложная траектория планеты в геоцентрической системе Представляете гениальность догадки, когда сложное движение Марса (рис. 2) после идеи: «А что, если рассмотреть центр орбиты в центре Солнца?» превращается в простое движение по окружности? Но когда все вокруг убеждены в какой-то системе, предложить что-то принципиально новое, додуматься, что можно это систему поменять, дорогого стоит. В этом и важность вклада Николая Коперника, Галилео Галилея, Джордано Бруно и других ученых того времени. Солнечная система Кроме Земли, вокруг Солнца вращается множество других объектов. Среди них выделили самые крупные и сравнительно близкие (расстояния, сопоставимые с расстоянием от Солнца до Земли). Таких объектов выделили 8 и назвали их планетами. Вот все планеты Солнечной системы в порядке удаления от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун У планет разные размеры, поверхности, атмосферы. Перечислим любопытные факты о каждой из планет. У Меркурия нет атмосферы, а поверхность покрыта кратерами – древними «шрамами» от ударов астероидов. Поверхность Венеры полностью скрыта облаками из капель серной кислоты. Земля из космоса выглядит очень красочно: белые облака, голубой океан, зеленые леса и желтые с красным пустыни. Глубокие каньоны и плоские пустыни покрывают красноватую поверхность Марса. Когда-то они могли быть реками, озерами или даже океанами. Сильнейшие ураганы проносятся в атмосфере самой большой планеты, Юпитера. Один из них, длина и ширина которого больше диаметра Земли, длится уже сотни лет. Триллионы кусков льда вращаются вокруг второй по величине планеты – Сатурна, образуя светлые кольца. Уран окружен темными кольцами из достаточно крупных объектов, которые, возможно, образовались из разрушившихся спутников Урана. Облака метана движутся в синей атмосфере Нептуна. Уран и Нептун можно видеть на небе, только воспользовавшись хорошим биноклем, остальные планеты видны невооруженным глазом. Мы их видим, потому что они освещены солнечным светом, то есть они «светят» отраженным светом Солнца. Но мы не замечаем, что именно это за свет, тем более на таком расстоянии, это просто небольшие светящиеся точки, поэтому невооруженным глазом их можно спутать со звездами Видимое движение планет Расстояние от нас до звезд намного больше, чем до планет Солнечной системы, поэтому движение звезд трудно зарегистрировать, а заметное с Земли смещение занимает многие тысячи и миллионы лет. А вот планеты движутся вокруг Солнца на сравнимых расстояниях и со сравнимыми периодами, поэтому, находясь на одной из таких планет, мы замечаем движение остальных. На фоне звезд, кажущихся на ночном небе неподвижными, смещение планет можно отследить. Отсюда и название «планета»: на древнегреческом πλανήτης – «блуждающий, скиталец». Еще одним хорошо заметным на небе объектом является Солнце. Солнце относят к звездам, оно обладает похожими свойствами с другими звездами. Это огромный шар, состоящий в основном из водорода и гелия. Диаметр Солнца в 100 раз больше земного, а масса больше в 300 000 раз. Земля по сравнению с Солнцем как булавочная головка по сравнению с волейбольным мячом, а Юпитер – как небольшая монета. Масса Солнца в 1000 раз больше суммарной массы планет. Внутри Солнца постоянно идет ядерная реакция превращения водорода в гелий. Эта энергия излучается с поверхности Солнца, освещая и нагревая планеты. В ядерной реакции выделение энергии сопровождается уменьшением массы и, естественно, расходом топлива. А поскольку запасы топлива (массы) ограничены, Солнце со временем должно погаснуть. Солнце светило более 4 миллиардов лет, оно будет светить еще 5–6 миллиардов лет. Это астрономы выяснили, изучая другие звезды, среди которых есть и более старые, и более молодые по сравнению с Солнцем. Солнце и восемь планет, вращающихся вокруг него, – это самые большие объекты Солнечной системы, к которой относят еще множество более мелких объектов, вращающихся вокруг Солнца. Это множество карликовых планет, миллионы астероидов и комет. К Солнечной системе относят и спутники планет. Некоторые из них сами могут иметь сравнимые с планетой Меркурий размеры. Условность классификации В природе нет четкого разделения небесных тел на звезды, планеты, астероиды и т. д. Мы сами решаем, как и по каким признакам их классифицировать. Да и небесные тела мы выделяем сами. Где граница планеты, состоящей из газа? А относить ли к планете ее атмосферу? Скорее всего, да. А где граница атмосферы, если она размыта? Относить ли объекты к Солнечной системе, если от Солнца один дальше другого, но второй движется вокруг Солнца? Такие границы условны. Как условна любая классификация. Яркий пример – Плутон, который сейчас не относят к планетам (считают карликовой планетой). А до середины 2006 года его считали 9-й планетой Солнечной системы. Хотя самому Плутону «все равно», как мы его называем. На его свойства и поведение это никак не влияет. Между орбитами Марса и Юпитера расположен пояс астероидов, имеющих разные размеры и неправильную форму. Относительно этого пояса часть планет и назвали внутренними. В этом поясе лежит орбита карликовой планеты Цереры. В отличие от астероидов она достаточно массивна, чтобы за счет гравитации принять круглую форму. В то же время ее масса недостаточна, чтобы притянуть и захватить движущиеся по близким орбитам астероиды. Истинным планетам это удалось: они очистили свои орбиты от астероидов. За орбитой Нептуна находится еще один пояс из огромного числа небольших по сравнению с планетами каменных и ледяных объектов – пояс Койпера. «Ледяных» не означает, что эти объекты обязательно содержат воду, лед может быть из твердого метана, углекислоты и т. д. Там же находятся орбиты двух карликовых планет пояса Койпера: Плутона и Эриды. Как видно из рисунка, они тоже не смогли очистить свои орбиты от астероидов. Здесь же, на периферии Солнечной системы, движутся миллионы небольших комет. Разглядеть такие малые объекты на огромном расстоянии невозможно, но, когда комета приближается к Солнцу, ее лед испаряется и образуется видимый хвост. Он направлен в сторону от Солнца, это пары и пыль, на которые действует световое давление и солнечный ветер. Многие звезды, подобно Солнцу, имеют планетные системы. Астрономы внимательно ищут в космосе так называемые экзопланеты, спутники других звезд, в надежде найти такие, где есть условия для возникновения жизни. Галактические скопления и Вселенная Прежде чем перейти к объектам за пределами Солнечной системы, давайте договоримся, как удобнее измерять расстояния в таких масштабах. Астрономы имеют дело с расстояниями и временем, которые в обычных единицах измерения выражаются чудовищно большими числами, их мы называем астрономическими. Траектория движения Земли вокруг Солнца не круговая, она вытянута, поэтому взяли среднее расстояние от Солнца до Земли, а это 149 597 870 700 м, и единицу измерения, равную этому расстоянию, назвали астрономической единицей (а.е.). Тогда расстояние от Солнца до Меркурия 0,4 а.е., до Нептуна – около 30 а.е. Сейчас размеры Солнечной системы оценивают в 100 000 а.е., на таком расстоянии могут оказаться некоторые вращающиеся вокруг Солнца кометы. Для измерения расстояния до звезд и галактик а.е. слишком маленькая величина. Как измерять такие расстояния? Астрономы придумали единицу световой год – расстояние, которое свет проходит за год - 300 000 км/с.  Для решения некоторых задач в астрономии ввели еще одну величину: парсек. Это такое расстояние, с которого объект размером 1 а.е. виден под углом в одну угловую секунду (см. рис. 14). И это расстояние приблизительно равно:  Основную информацию из космоса астрономы получают в виде электромагнитного излучения: это и видимый свет, и излучение других диапазонов, которые мы не видим, но регистрируем с помощью приборов (инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, радиоволны разных диапазонов и другие). Все эти виды излучения распространяются с максимальной в природе скоростью 300 000 км/с. Удивительно, что поскольку свет имеет конечную скорость, то астрономы сегодня ощущают историю Вселенной. Но современная физика не знает ничего более быстрого, чем свет. Поэтому если астроном наблюдает звезду, находящуюся на расстоянии 500 световых лет, то последние известия о состоянии этой звезды будут 500-летней давности, более поздних новостей нет. Для астронома «сейчас» – это момент прибытия света к его глазу. И это «сейчас» разное при наблюдении разных звезд – такая себе «машина времени», позволяющая видеть прошлое звезд. У этого есть важное следствие. Наблюдая все более удаленные объекты, астрономы узнают о более ранних событиях во Вселенной. Поэтому очень большое значение приобрели огромные наземные и космические телескопы, которые позволяют увидеть объекты, удаленные на миллиарды световых лет, и тем самым увидеть Вселенную такой, какой она была миллиарды лет назад. Звезды распределены не равномерно, и можно выделить их скопления – галактики. Ближайшие к Солнцу звезды образуют галактику, называемую Млечный путь. Название объясняется видом этой галактики на небе – светлая полоса, напоминающая пролитое молоко. Галактика Млечный путь – это скопление нескольких сотен миллиардов звезд, которое в мелком масштабе выглядит как плоское спиралевидное облако В построении структуры галактики использованы данные телескопических наблюдений. Радиус орбиты Солнца (расстояние от центра галактики) – 27 000 св. лет, один оборот Солнце совершает за 210 миллионов земных лет. Галактик во Вселенной великое множество. Все они, кроме звезд, содержат огромные облака газов и пыли. Некоторые из таких облаков значительно больше Солнечной системы и являются местом рождения и гибели звезд. Материя космических облаков может собраться и сжаться силами гравитации, образовав новую звезду. Иногда звезды взрываются, пополняя галактические облака газами и пылью. Своего рода круговорот материи. Подобно тому, как скопления звезд образуют галактики, можно выделить и скопления (группы, кластеры) галактик. Наш Млечный путь относится к так называемой Местной группе, в ней несколько десятков галактик, а диаметр ее – несколько миллионов световых лет. В свою очередь Местная группа сама является членом еще большего скопления групп галактик, называемого сверхскоплением Девы, потому что сверхскопление с Земли видно в направлении этого созвездия. Наше сверхскопление состоит из сотен галактических групп и кластеров и имеет размер более 100 миллионов св. лет. Возраст Вселенной астрономы оценивают в 13,8 млрд земных лет. Таким образом, радиус видимой Вселенной, т. е. расстояние, на котором мы в принципе можем что-то обнаружить, – это 13,8 млрд св. лет. Изображение самых дальних галактик, которые люди смогли получить с помощью самых современных телескопов, соответствует времени их возникновения. Сказанное не означает, что на расстоянии 13,8 млрд св. лет Вселенная заканчивается, что дальше ничего нет. Скорее это означает, что мы не можем ничего видеть за этим пределом. «Небесная сфера» Точку небесной сферы, которая располагается прямо над нами, назвали зенит. Проведем воображаемую линию – границу видимой части небесной сферы, ниже которой ее закрывает Земля. Как назвали эту линию, вы знаете – горизонт. Конечно, граница видимой части неба зависит от рельефа, в городе – от застройки. Если утром Солнце скрыто за холмом или за деревом, это значит, что оно за горизонтом или что из-за дерева рассвет еще не наступил? Нужно договориться. Поэтому взяли модель, которая пренебрегает рельефом и считает Землю гладкой.  Вот если мы возьмем эту небесную сферу, то теперь можно заметить, что она вращается: в течение ночи звезды понимаются от восточной части горизонта, продвигаются по своду и опускаются за западную часть горизонта. На самом деле вращается Земля, но мы находимся на ней и воспринимаем ее неподвижной, и нам кажется, что вращается все вокруг нас. Выберем ориентиры, к которым привязываться при определении координат на небесной сфере. Мы обозначили одну точку – зенит, но, так как Земля вращается, это направление «вертикально вверх» указывает в направлении разных звезд. Но земная ось направлена всегда одинаково, поэтому те два направления, в которых она «указывает» двумя концами, можно взять за ориентир  Мысленно продолжим ось вращения Земли до пересечения с небесной сферой. Эти точки пересечения назвали Северным и Южным мировыми полюсами. Земному экватору соответствует небесный экватор. Обратите внимание: в космосе нет понятия север или юг, и у него нет полюсов. Но мы эти направления выбрали, потому что так направлена земная ось и нам так удобнее ориентироваться, находясь на Земле. С Земли это выглядит так: точки северного и южного полюсов на небесной сфере неподвижны, и остальная часть небесной сферы вращается вокруг этих точек Небесные координаты Звезды расположены в трехмерном пространстве, но мы, когда вводили модель небесной сферы, одну координату сферической системы координат зафиксировали: расстояние. Обсудим, какие придумали системы координат. Углы в астрономии обычно выражают в градусах (минутах, секундах), но в некоторых случаях, когда угловое перемещение небесного объекта связано с суточным вращением Земли, удобно градусы переводить в часы. Важнейшие линии и точки на небесной сфере – это Северный и Южный полюсы мира (их определения мы уже ввели), проходящая через них ось мира, отвесная линия (направление силы тяжести), которая пересекает небесную сферу в точках зенит и надир. Секущая плоскость, проходящая через центр сферы, делит ее на две одинаковые полусферы по окружности, которую астрономы называют большим кругом. Если секущая плоскость не содержит центр сферы, то круг называется малым  Выделим важнейшие большие круги на небесной сфере: математический горизонт – большой круг, плоскость которого перпендикулярна отвесной линии; небесный экватор – большой круг, плоскость которого перпендикулярна оси мира; небесный меридиан – большой круг, проходящий через зенит и Северный полюс мира (или через надир и Южный полюс мира)  Математический горизонт пересекается с небесным меридианом в точках севера N и юга S, а с небесным экватором в точках востока E и запада W. Математический горизонт делит небесную сферу на видимую и невидимую половины, а небесный экватор – на северную и южную. Положение точки на поверхности Земли определяют географические координаты – широта и долгота. Широты отсчитываются от экватора (экваториальной плоскости), а долготы от нулевого (гринвичского) меридиана. Похожим образом придумали и так называемую экваториальную систему небесных координат рассмотрим ее подробнее.  Представьте, что вы находитесь внутри большого пустого глобуса (в его центре) и видите сквозь стенки глобуса сетку географических координат. Практически так выглядит экваториальная система координат. В качестве основной плоскости отсчета углов используется плоскость небесного экватора. Каждая точка небесной сферы имеет две угловые координаты, которые назвали склонением и прямым восхождением. Чтобы определить первую координату точки небесной сферы M (некоторого светила), через эту точку нужно провести большой круг PNMPS, плоскость которого перпендикулярна плоскости небесного экватора. Этот круг назвали кругом склонения. Точка M1 принадлежит и кругу склонения, и экватору. Дуга MM1 круга склонения называется склонением (δ). Склонение выражается в градусах, его приняли положительным в северной полусфере и отрицательным – в южной. Понятно, что, если точка лежит на небесном экваторе, ее склонение равно нулю. Это аналог широты в географических координатах. Вторая координата (аналог географической долготы) называется прямым восхождением (α). Этот угол отсчитывается по небесному экватору, а за ноль принята точка весеннего равноденствия, строгое определение этой точки мы введем позже. Она находится в зодиакальном созвездии Овен и обозначается  . Поэтому прямым восхождением мы назвали угловую меру дуги M1. Прямое восхождение приняли положительным, если дуга M1 направлена с запада на восток, и в противном случае – отрицательным.Угол прямого восхождения α принято выражать в часах (минутах, секундах) из расчета, что 24 часа соответствуют полной окружности 360 градусов (Земля совершает полный оборот вокруг своей оси за 24 часа), т. е. 1 градус равен 4 минутам времени. Если не рассматривать движение звезд друг относительно друга, получится, что из-за вращения Земли все звезды (и точка весеннего равноденствия ) передвигаются по небу с постоянной угловой скоростью, 15 градусов в час, это так называемое суточное движение . А так как относительное расположение звезд в суточном движении не меняется и направление земной оси (а значит и оси мира) фиксировано, то и координаты звезд в экваториальной системе координат (α, δ) можно считать неизменными. Для ориентации среди звезд астрономы используют именно экваториальную систему координат, потому что в ней удобно создавать звездные карты и каталоги звезд. Карты, на которых мы рассматривали примеры созвездий, используют именно эту систему координат.
|