Лекция 1. Предмет астрономии

Роль астрономии в развитии цивилизации

Астрономия – наука о Вселенной, изучающая видимое и кажущееся движение, строение происхождение и развитие небесных тел и их систем.

Астрономия изучает:

солнце и звезды;
планеты и их спутники;
кометы и метеорные тела;
туманности;
звездные системы;
материю, заполняющую все пространство.

Новые объекты астрономии:

пульсары; - квазары (квазизвездные радиоисточники);
космические лучи (частицы высоких энергий);
микроволновое фоновое (реликтовое) излучение;
поиск теоретически предсказанных черных дыр и гравитационных волн;
структура пространства – времени Вселенной с позиции космологии;
поиск внеземных цивилизаций и разработка способов контактов с ними.

Таким образом, предметом изучения астрономии являются все объекты, видимые невооруженным глазом и с помощью приборов, размещенных на наземных обсерваториях и космических аппаратах. Астрономические объекты различны по своим масштабам.

С давних времен, глядя на ночное небо, человек задумывался о космосе. Но привлекал космос человека не только из любопытства, астрономические знания были жизненной необходимостью: счет времени (календарь); ориентировка в пространстве по звездам, особенно мореплавателям; любознательность - разобраться в происходящих астрономических явлениях и покорить космос.

Рассмотрим основные знаковые исторические события, связанные с астрономическими открытиями.

Еще в древние времена человек задавался вопросами астрономии. За 3 тыс. лет до н.э. египетские жрецы отмечали связь разлива Нила с появлением яркой звезды Сириус.

За 4-2 тыс. лет до н.э. в Древнем Китае астрономы могли предсказывать наступление солнечных и лунных затмений.

К VIII в. до н.э. относятся первые записи астрономических наблюдений, подлинность которых не вызывает сомнения. Астрономические наблюдения были необходимы кочевым племенам первобытного общества и древним земледельцам.

II в. до н.э. На базе геоцентрической системы мира разработаны теории видимых движений Луны и Солнца (большой вклад внес Гиппарх).

II в. н.э. Птолемей создал наиболее совершенную геоцентрическую теорию.

Средние века: В Европе наука в упадке. Значительных успехов достигли арабские и среднеазиатские астрономы. Исключительных результатов добились среднеазиатские ученые Бируни (973-1048гг.), Улугбек (1394-1449гг.).

1610 г. – Галилей первым использовал зрительную трубу в качестве телескопа, открыл спутники Юпитера, обнаружил фазы Венеры.

1843 г. – опубликован труд польского ученого Николая Коперника (1473-1543гг.) с гелиоцентрической системой мира.

И.Ньютон (1643-1727гг.) – аксиомы динамики и закон всемирного тяготения привели к бурному развитию небесной механики.

Лагранж (1736-1813 гг.), Лаплас (1749-1827гг.) – заложили основы современной теории движения планет и Луны.

1846 г. – открытие планеты Нептун по вычислениям Леверье (Франция) и Адамса (Англия) возмущений орбиты Урана.

С середины XIX в. в астрономии используется фотография и спектральный анализ.

К началу второй четверти XX века:

выяснилось, что звезды входят в состав грандиозной звездной системы –Галактики;
что спиральные туманности – аналогичные звездные системы – Галактики;
обнаружено разбегание галактик, что указывало на расширение видимой части Вселенной – Метагалактики.

30 – е годы XX в. – благодаря кварцевой оптике стало возможным изучать ультрафиолетовое излучение в небесных объектов.

1930г.-открытие Плутона

40 – е годы XX в. – возникла радиоастрономия, благодаря которой обнаружены новые классы небесных тел – квазары, пульсары, фоновое реликтовое микроволновое радиоизлучение, похожее на излучение абсолютно черного тела с температурой около 3К.

1959 г. – создание космических станций.

1961 г. – первый полет человека в космос.

1961 г. – впервые обнаружено гамма излучение, исходящее из центра Галактики.

1969 г. – первая высадка людей на Луну.

1970 г. – советская автоматическая межпланетная станция Луна-16 совершила мягкую посадку на поверхности Луны в районе Моря Изобилия. Непосредственно перед стартом был произведен забор лунного грунта, который в специальной капсуле был помещен в возвращаемый аппарат.

1971г.-Американская автоматическая межпланетная станция Mariner-9 выведена на орбиту Марса и стала первым в мире искусственным спутником Марса.

1997г.-Исследование Марса первым марсоходом.

1999г.-Обнаружено первое подтверждение рождения черной дыры.

Нач. XXI в. дало миру ограниченные варианты квантовых компьютеров, с помощью которых возможно совершать сверхскоростные вычисления.

2009 г. - ознаменовался сборкой американскими физиками первого программируемого квантового компьютера.

2012 г.- разработан фотонный квантовый компьютер, который способен проводить вычисления не последовательно, как классические ЭВМ, а одновременно, что увеличивает скорость получения результата.

2016 г. - открытие гравитационных волн, начало гравитационно-волновой астрономии.

Вы можете задать вопрос: почему в списке астрономических открытий создание квантовых компьютеров? Ответ прост: Изучение космоса, его составляющих, в том числе элементарных частиц, привело к возникновению новой отрасли физики-квантовой физики, которая изучает элементарные частицы, энергию их взаимодействия и превращения. Именно эти знания позволили свершить большой прорыв в новых технологиях.

Любая наука связана с наблюдениями и экспериментом, другими словами мы можем, к примеру, поставить опыт и наблюдать за его течением. Астрономия как наука отличается от остальных. Перечислим особенности астрономических наблюдений:

Пассивный характер большинства астрономических наблюдений. Исследователи не могут активно влиять на небесные тела, ставить опыты.
Невозможность в большинстве случаев непосредственных измерений. Например, размеры тел мы можем измерить рулеткой или линейкой, астрономические же тела и расстояния настолько велики, что простые приборы для измерения не подойдут. Только использование космических аппаратов (КА) дало возможность проводить непосредственные измерения на Луне и ближайших планетах.
Медленный характер небесных явлений, что требует громадных сроков наблюдения. Пример: наклон земной оси к плоскости ее орбиты становится заметным по истечении сотен лет.
Из-за большой удаленности и конечности скорости света мы наблюдаем события в глубинах Вселенной, которые произошли в далеком прошлом.

Телескопы

Наблюдения астрономических объектов и явлений проводятся в специализированных учреждениях - обсерваториях. Для точности наблюдений, нужны приборы. К примеру, телескоп. Телескоп - прибор (астрономический инструмент), с помощью которого можно наблюдать отдалённые объекты путём сбора электромагнитного излучения (например, видимого света). Он увеличивает угол зрения (разрешающая способность), и собирает больше света (проникающая сила).

Телескопы бывают самыми разными – оптические (общего астрофизического назначения, коронографы), радиотелескопы, инфракрасные, нейтринные, рентгеновские.

Все оптические телескопы можно разделить на три вида:

рефрактор;
рефлектор;
зеркально-линзовые.

Представлены они на рисунке 1.

Рис. 1 Виды телескопов

В телескопах-рефракторах (1) свет собирается 2х-линзовым объективом и фокусируется в точке F. Телескоп-рефлектор же (2) использует для этой цели вогнутое зеркало. В зеркально-линзовых, или катадиоптрических, телескопах (3) применяется сочетание линз и зеркал, что позволяет применять более короткие и портативные трубы. Все телескопы используют окуляр (расположенный за точкой фокуса F) для увеличения изображения, сформированного основной оптической системой.

История создания телескопа очень интересна. 410 лет назад, в 1609 году, итальянец Галилео Галилей, впервые наблюдая через телескоп небесные тела, смог разглядеть кратеры на Луне, отдельные звезды Млечного Пути и спутники Юпитера. Свои наблюдения Галилей описал в книге «Звездный вестник», которая произвела фурор в научной среде. Этот момент считается одним из поворотных в становлении астрономии как науки о Вселенной. Первые зрительные трубы, изучая которые Галилей собрал свой телескоп, были изготовлены в 1607 году в Голландии. Но до этого еще в 1509 году Леонардо да Винчи в своих записях сделал чертежи простейшего линзового телескопа и предлагал смотреть через него на Луну. В 1611 году немецкий ученый Иоганн Кеплер предлагает свою конструкцию телескопа – с двумя собирающими линзами. Эта схема давала перевернутое изображение, но зато оно было более ярким, и при этом значительно расширялось поле зрения. Первый телескоп, собранный Галилеем, имел трехкратное увеличение. Позже ему удалось добиться 32-кратного приближения. В дальнейшем ученые поняли, что увеличение фокусного расстояния улучшает качество изображения и помогает избежать аберраций, или искажений. Размеры телескопов при этом стали достигать 100 метров. Первый телескоп Галилея (рисунок 2) сохранился до наших дней и находится в Музее Истории Науки во Флоренции.

Рис 2. Первый телескоп-рефрактор (Галилей)

Одним из существенных искажений, которые мешали работе пионеров астрономии, был хроматизм, когда изображение становилось нечетким и у него появлялись яркие цветные контуры. Чтобы избавиться от хроматических аберраций, англичанин Исаак Ньютон, экспериментировавший в 1660-е годы с оптикой, решает заменить выпуклую линзу на сферическое зеркало. Для этого он добавляет в бронзу мышьяк и разрабатывает хорошо поддающийся шлифовке материал. Первый телескоп-рефлектор был построен Ньютоном в 1668 году (рисунок 3) . Длиной он был всего 15 см и диаметром 33 мм. Ученый смог добиться 40-кратного увеличения высокого качества. Новый телескоп настолько понравился королю, что Ньютон был избран членом Королевского общества.

Рис 3, Первый телескоп-рефлектор (Ньютон)

В 1672 году француз Лоран Кассегрен предложил двухзеркальную схему, где первое зеркало было параболическим, а в качестве второго рефлектора выступал выпуклый гиперболоид, располагающийся перед фокусом первого. Первый подобный телескоп был сделан в 1732 году. Таким образом, уже в конце XVII века были разработаны все основные схемы телескопов, которые совершенствовались в последующие годы.

Наши представления о небесных телах и их системах чрезвычайно обогатились после того, как начали изучать их радиоизлучение. Важнейшим источником информации о большинстве небесных объектов является их излучение. Наиболее ценные и разнообразные сведения о телах позволяет получить спектральный анализ их излучения. Этим методом можно установить качественный и количественный химический состав светила, его температуру, наличие магнитного поля, скорость движения по лучу зрения и многое другое. Давайте разберемся что же такое радиотелескоп и спектральный анализ.

Радиотелескопы. Все описанные выше телескопы лишь позволяют увеличить объект, который находится в поле зрения наблюдателя. А как же быть, если объект находится очень далеко (в данном случае имеется в виду десятки и сотни световых тысяч лет)? В этом случае нам помогают исследовать такие объекты радиотелескопы. Радиотелескоп — астрофизический прибор для приема электромагнитного излучения космических объектов в широком диапазоне несущих частот от десятков МГц до десятков ГГц и исследование его характеристик: координат (местоположения) источников, его структуры, интенсивности излучения. То есть если в рефракторах и рефлекторах мы зрением получаем информацию об объекте, то в случае радиотелескопа, мы получаем сигнал (излучение) объекта, и в дальнейшем по характеристике сигнала судим об астрономическом объекте. Радиотелескоп представляет собой огромную тарелку с антенной и радиометром. Для расширения спектра исследуемых полученных радиоволн объединяют несколько радиотелескопов (рисунок 4), расположенных в разных точках земли, в одну систему.

Рис 4. Система радиотелескопов

Спектрометры. Хотелось бы рассказать и о спектрометрах, в отличие от телескопов, которые собирают данные, они обрабатывают и анализируют спектр излучения полеченного от астрономического объекта. Теперь давайте разберемся, что такое спектр. Каждый атом (вещество) излучает волны разных частот и длин, и спектрограф это по сути своей «фотоаппарат», который фотографирует спектр. На фотографии спектра можно увидеть разные цвета, каждому атому (веществу) соответствует свой цвет полосы и ширина. Через спектрограф провели все известные элементы и получили их спектры, составив при этом таблицы спектров. Пример приведен на рисунке 5.

Рис. 5 Спектры испускания

На рисунке 5 показаны спектры испускания. 1-сплошной спектр содержит все цвета радуги, это означает, что данный спектр содержит все длины волн. Спектр натрия (2), водорода (3), гелия (4) представляют из себя тонкие полоски различной ширины и цвета. Получая спектр излучения из далекой планеты и проведя спектральный анализ (иными словами сопоставить полученный спектр излучения астрономического объекта со всеми известными спектрами атомов), можно с высокой точностью сказать из каких элементов она состоит.

Обсерватории

Обсерватория — научное стационарное сооружение, с развитой инфраструктурой и оборудованное научными приборами, для постоянного наблюдения за различными объектами и явлениями на Земле и в Космосе. Обсерватории обычно содержат один или несколько стационарно установленных телескопов, находящихся в строениях с вращающимся либо убирающимся куполом. Здание обсерватории красят специальной светоотражающей белой краской, для того чтобы она меньше нагревалась; устанавливают мощные системы вентиляции и охлаждения. Эти условия необходимы для правильной работы аппаратуры и устройств, находящихся внутри. Астрономический купол имеет сферическую форму, вращается в любую сторону. Делают его таким, чтобы он мог повернуть телескоп в любую точку небосвода. Как правило обсерватории строят высоко в горах, чтобы было меньше радиопомех. Рассмотрим самые крупные обсерватории мира.

1. Китайская астрономическая обсерватория «Небесный глаз».

Крупнейшая в мире астрономическая обсерватория располагается на юго-западе Китая, строилась высоко в горах на высоте 1000 метров, что значительно осложнило ее строительство. Её рабочий телескоп «Сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой» строили пять лет, в результате инженеры смогли построить 500-метровую тарелку, состоящую из 4400 алюминиевых панелей. На сегодняшний день главной проблемой этой обсерватории является то, как хранить невероятно большое количество данных, которые в ближайшие несколько лет соберет этот радиотелескоп. Китайский радиотелескоп способен обнаружить даже самые слабые радиоволны, исходящие от небесных объектов, таких как пульсары и целые галактики. Также специалисты не исключают, что он может быть использован для обнаружения далеких миров, на которых может существовать жизнь.

Рис. 6 Китайская астрономическая обсерватория "Небесный глаз"

2. Паранальская обсерватория или Очень Большой Телескоп (VLT).

Представляет собой систему из четырех основных антенн диаметром 8,2 метра и четырех вспомогательных по 1,8 м в диаметре, объединенных в астрономических интерферометр. Это чудо техники расположено в высокогорьях Анд на высоте более 2,5 км над уровнем моря в чилийской пустыне Атакама (Южная Америка). Такое расположение телескопа дает большое преимущество: в этой местности можно наблюдать за безоблачным небом почти круглый год, а разреженная атмосфера позволяет избегать искажений, создаваемых движением воздушных масс. Поэтому обсерватория принимает сигнал в оптическом и среднем инфракрасном диапазонах, а обрабатывает полученный материал суперкомпьютер, способный выполнять до семнадцати квадриллионов операций в секунду.

Рис. 7 Паранальская обсерватория

3. Астрономическая обсерватория Индии (IAO).

Располагаясь на высоте в 4,500 метров, Астрономическая обсерватория Индии — одна из самых высоких в мире. Она управляется индийским Институтом Астрофизики в Бангалоре.

Рис. 8 Астрономическая обсерватория Индии

4. Специальная астрофизическая обсерватория РАН

В нашей стране самый крупный телескоп установлен в специальной астрофизической обсерватории в республике Карачаево-Черкессия на Северном Кавказе. Благодаря тому, что он смонтирован на высоте чуть более 2000 метров над уровнем моря, достигается высокое качество получаемых изображений. Главное зеркало рефлектора составляет 6 метров в диаметре, в результате чего предельная звездная величина для этого инструмента составляет внушительную цифру в +25m! До 1993 года он оставался крупнейшим в мире, пока не была построена обсерватория Кека. На сегодня телескоп проходит глубокую модернизацию — основное зеркало демонтировано и отправлено на завод изготовитель для переполировки. Кроме этого, будет установлено новое электронное оборудование системы слежения и наведения.

Рис. 9 Специальная астрофизическая обсерватория РАН (Россия)

5. Обсерватория Мауна Кеа, Гавайи.

Расположенная на Большом Острове Гавайев, на вершине горы Мауна-Кеа, MKO — обсерватория с самым большим в мире набором оптического, инфракрасного, и высокоточного астрономического оборудования. В здании обсерватории Мауна-Кеа больше телескопов, чем в какой-либо другой в мире.

Рис. 10 Обсерватория Мауна Кеа

Приведем крупнейшие научные институты, университеты и обсерваторий России, где проводятся астрономические исследования.

1. Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН (ГАО РАН).

Пулковская обсерватория (ГАО РАН) — основная астрономическая обсерватория Российской академии наук. Открыта 19 августа 1839 года. Располагается в 19 км к югу от центра Санкт-Петербурга на местности Пулково на Пулковских высотах (Пулковской горе). Научная деятельность обсерватории охватывает практически все приоритетные направления фундаментальных исследований современной астрономии: небесная механика и звёздная динамика, астрометрия (геометрические и кинематические параметры Вселенной), Солнце и солнечно-земные связи, физика и эволюция звёзд, внегалактическая астрономия, аппаратура и методика астрономических наблюдений.

Рис. 11 Главная астрономическая обсерватория РАН (ГАО РАН)

2. Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ ФИАН.

Одна из крупнейших в России. Она основана в 1956 году и сегодня является одной из наиболее хорошо оснащенных: радиотелескоп РТ-22, радиотелескопы меридианного типа с двумя антеннами ДКР-100 и БСА. Располагается в г. Пущино Московской области. Интересный факт – в ветреную погоду можно услышать «пение» телескопов. Говорят, что в фильме «Война и мир» Сергей Бондарчук использовал запись именно этой надрывной песни.

Рис. 12 Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ ФИАН

3. Байкальская астрофизическая обсерватория.

Эта самая молодая обсерватория (открыта в 1980 году). Она расположена в месте уникального микроастроклимата – локальные антициклоны и малые восходящие потоки воздуха с озера Байкал создают тут уникальные условия для наблюдений. Она принадлежит Институту Солнечно-Земной физики Российской академии наук и оснащена уникальной аппаратурой: большим солнечным вакуумным телескопом (самым большим на территории Евразии), телескопом полного диска Солнца, хромосферным телескопом, фотогелиографом.

Рис. 13 Байкальская астрофизическая обсерватория

История развития отечественной космонавтики

Российским учёным принадлежит огромная заслуга в освоении космоса. Развития oтeчeствeннoй космонавтики значительно повлияло нa yкрeплeниe международного aвтoритeтa государства. В настоящее время наша страна является одним из лидеров научно-технического прогресса благодаря постоянному внедрению современных технологий космической отрасли. Достижения СССР, Российской Федерации в космической отрасли. Наши иностранные коллеги давно признали большие заслуги России в области освоения космоса. С уверенностью можно сказать, что отечественная космическая отрасль является в мире одной из самых развитых и мощных.

В послевоенное время в астрономия как наука начала развиваться быстрее: совершили первый полет в космос, построили космическую станцию, запустили спутник и др. Все это обусловлено в первую очередь любопытством, ведь человек всегда хотел исследовать и покорить космос. А во вторую, началась гонка вооружений между странами, которую невозможно было выиграть без новых космических технологий. В третьих, энергоресурсы нашей планеты истощаются, человечеству необходимы альтернативные источники, которые можно найти в космосе…

О космонавтике серьезно начали задумываться наши соотечественники еще в 1600 годах. Огромнейший вклад в дело развития космонавтики внес российский ученый, простой учитель уездного училища Калужской губернии Константин Эдуардович Циолковский. Размышляя о жизни в космическом пространстве, Циолковский начал писать научную работу под названием «Свободное пространство». О том, как выйти в космос, ученый пока не знал. В 1902 г. К.Э. Циолковский прислал в журнал «Новое обозрение» труд, сопроводив его записью: «Я разработал некоторые стороны вопроса о поднятии в пространство с помощью реактивного прибора, подобного ракете. Математические выводы, основанные на научных данных и много раз проверенные, указывают на возможность с помощью таких приборов подниматься в небесное пространство, и, может быть, обосновывать поселения за пределами земной атмосферы».

В 1903 г. этот труд — «Исследование мировых пространств реактивными приборами» — был опубликован. В нем ученый разработал теоретические основы возможности полетов в космос. Эта работа и последующие труды, написанные Константином Эдуардовичем, дают основание нашим соотечественникам считать его отцом российской космонавтики.

Рис. 14 Константин Эдуардович Циолковский

Еще один легендарный человек, сумевший технически воплотить мечты Циолковского о космических полетах в жизнь – Сергей Павлович Королев. Советский учёный, конструктор ракетно-космических систем, председатель Совета главных конструкторов СССР (1946—1966), академик АН СССР (1958). «То, что казалось несбыточным на протяжении веков, что вчера было лишь дерзновенной мечтой, сегодня становится реальной задачей, а завтра — свершением, — говорил Королев. Считается, что именно Циолковский зародил в душе молодого ученого страсть к ракетостроению. В историю человечества вошли два знаменательных события, связанных с развитием отечественной космонавтики и открывших эпоху практического освоения космоса: запуск на орбиту первого в мире искусственного спутника Земли (ИСЗ) (4 октября 1957 г.) и первый полет человека в космическом корабле по орбите ИСЗ (12 апреля 1961 г.). И эти два события стали возможны благодаря С.П. Королеву, под руководством которого проводились теоретические, проектные и экспериментальные работы по перспективной ракетно-космической технике.

Рис. 15 Сергей Павлович Королёв

Первый в мире искусственный спутник Земли представлен на рисунке

Рис. 16 Первый в мире искусственный спутник Земли (ИСЗ)

Стоит отметить и третью значимую личность в космонавтике – Юрий Алексеевич Гагарин. 12 апреля 1961 г. — этот день навсегда вошел в историю человечества: утром с космодрома «Байконур» мощная ракета-носитель вывела на орбиту первый в истории космический корабль «Восток» с первым космонавтом Земли — гражданином Советского Союза Юрием Алексеевичем Гагариным на борту. В последующем ему было присвоено звание Герой Советского Союза, за отвагу и смелость проявленные в решении быть первым человеком в космосе.

Рис. 17 Юрий Алексеевич Гагарин

Развитие ракетно-космических систем шло и сейчас идет бурными темпами в нашей стране. Полеты первых искусственных спутников Земли, Солнца, Луны, Венеры, Марса, достижение впервые автоматическими аппаратами поверхности Луны, Венеры, Марса и мягкая посадка на эти небесные тела, фотографирование обратной стороны Луны и передача на Землю изображения лунной поверхности, первый облет Луны и возвращение на Землю автоматического корабля с животными, доставка роботом образцов лунной породы на Землю, исследование поверхности Луны автоматическим луноходом, передача на Землю панорамы Венеры, пролет вблизи ядра кометы Галлея, полеты первых космонавтов — мужчин и женщин, одиночные и групповые в одноместных и многоместных кораблях- спутниках, первый выход космонавта-мужчины, а затем и женщины из корабля в открытый космос, создание первой пилотируемой орбитальной станции, автоматического грузового корабля снабжения, полеты международных экипажей, первые перелеты космонавтов между орбитальными станциями, создание системы «Энергия»-«Буран» с полностью автоматическим возвращением многоразового корабля на Землю, длительная работа первого многозвенного орбитального пилотируемого комплекса и многие другие приоритетные достижения России в освоении космоса вызывают у нас законное чувство гордости.

Список использованных источников:

Астрономия. 10-11 классы : учеб. для общеобразоват. организаций : базовый уровень / В.М. Чаругин. – М. : Просвещение, 2018. – 144 с. : ил. – (Сферы 1-11) – ISBN 978-5-09-053903-6
Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. носителе: базовый и профил. уровни/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. Н. А. Парфентьевой. – 23-е изд. М.: Просвещение, 2014. – 399 с., [4] л. ил. – (Классический курс). – ISBN 9798-5-09-032373-4.