урок 1 предмет астрономии

1. Что изучает астрономия. Возникновение астрономии.
Астрономия
[греч. astron-звезда,светило, nomos -закон]
- наука о строении, движении, происхождении и развитии небесных тел, их систем и всей Вселенной в целом.
Вселенная- максимально большая область пространства, включающая в себя все доступные для изучения небесные тела и их системы.

Аллегория Яна Гевелия (1611-1687, Польша), изображает музу Уранию, покровительницу астрономии, которая в руках держит Солнце и Луну, а на голове у нее сверкает корона в виде звезды. Урания окружена нимфами, изображающими пять ярких планет, слева Венеру и Меркурия (внутренние планеты), справа – Марс, Юпитер и Сатурн.

Потребность в астрономических знаниях диктовалась жизненной необходимостью:
Потребность счета времени, ведение календаря.
Ориентация на местности, находить дорогу по звездам, особенно мореплавателям.
Любознательность – разобраться в происходящих явлениях.
Забота о своей судьбе, породившая астрологию.
Великолепный хвост кометы МакНота, 2007г
Падение болида, 2003г

Систематические астрономические наблюдения проводились тысячи лет назад
Солнечный камень древних ацтеков
Солнечная обсерватория в Дели, Индия
Солнечные часы в обсерватории в Джайпуре

Древняя обсерватория Стоунхендж, Англия, построен в 19-15 веках до н.э.
Стоунхендж (англ— «Каменная изгородь») — внесённое в список Всемирного наследия каменное мегалитическое сооружение (кромлех) на Солсберийской равнине в графстве Уилтшир (Англия). Находится примерно в 130 км к юго-западу от Лондона.

38 пар вертикальных камней, высотой не менее 7 метров и весом не менее 50 тонн каждый. Диаметр занимаемого колоссами круга составляет 100 метров.
О назначении гигантского сооружения до сих пор идут споры, наиболее популярными выглядят следующие гипотезы:
1. Место ритуальных церемоний и погребений (жертвоприношений).
2. Храм Солнца.
3. Символ власти доисторических жрецов.
4. Город Мертвых.
5. Языческий собор или священное убежище на благословенной богом земле.
6. Недостроенная АЭС (фрагмент цилиндра реакторного отделения).
7. Астрономическая обсерватория древних ученых.
8. Место посадки космических кораблей НЛО.
9. Прообраз современного компьютера.
10. Просто так, без причины.

Главная ось комплекса, идущая по аллее через пяточный камень, указывает на точку восхода Солнца в день летнего солнцестояния. Восход дневного светила в этой точке происходит только в определенный день в году - 22 июня.

Периоды развития астрономии :
Древнейший
I-й Античный мир (до Н.Э.)
II-й Дотелескопический (Н.Э. до 1610г)
Классический (1610 - 1900)
III-й Телескопический (до спектроскопии, 1610-1814гг)
IV-й Спектроскопический (до фотографии, 1814-1900гг)
V-й Современный (1900-н.в)
Разделы астрономии:
1. Практическая астрономия
2. Небесная механика
3. Сравнительная планетология
4. Астрофизика
5. Звездная астрономия
6. Космология
7. Космогония
2. Разделы астрономии. Связь с другими науками.

Древо астрономических знаний

Связь астрономии с другими науками
1 - гелиобиология
2 - ксенобиология
3 - космическая биология и медицина
4 - математическая география
5 - космохимия
А - сферическая астрономия
Б - астрометрия
В - небесная механика
Г - астрофизика
Д - космология
Е - космогония
Ж - космофизика
Физика Химия Биология
География и геофизика
История и обществознание Литература
Философия

3. Общие представления о масштабе и структуре Вселенной
Вселенная- максимально большая область пространства, включающая в себя все доступные для изучения небесные тела и их системы.
Реальный мир ,вероятно ,устроен так, что могут существовать другие вселенные с иными законами природы ,а физические постоянные могут иметь другие значения.
Вселенная - уникальная всеобъемлющая система, охватывающая весь существующий материальный мир, безграничный в пространстве и бесконечный по разнообразию форм.
1 астрономическая единица = 149, 6 млн.км ~ 150 млн.км
1пк (парсек) = 206265 а.е. = 3,26 св. лет
1 световой год (св. год) - это расстояние, которое луч света со скоростью почти 300 000 км/с пролетает за 1 год и равен 9,46 миллионам миллионов километров!

Космические системы
Солнечная система - Солнце и движущиеся вокруг тела (планеты, кометы, спутники планет, астероиды). Солнце – самосветящееся тело, остальные тела, как и Земля светят отраженным светом. Возраст СС ~ 5 млрд. лет. Таких звездных систем с планетами и другими телами
во Вселенной
огромное количество.
Нептун находится
на расстоянии
30 а.е.

Солнце как звезда
Вид Солнца в разных диапазонах электромагнитных волн

Одним из самых примечательных объектов звездного неба является Млечный Путь-часть нашей Галактики. Древние греки называли его «молочный круг». Первые наблюдения в телескоп ,проведенные Галилеем, показали, что Млечный Путь – это скопление очень далеких и слабых звезд.
Видимые на небе звезды- это ничтожная доля звезд, входящих в состав галактик.

Так выглядит наша Галактика сбоку

Так выглядит наша Галактика сверху
диаметр около 30 кпк

Галактики- системы звезд, их скоплений и межзвездной среды. Возраст галактик
10-15 млрд. лет

4. Астрономические наблюдения и их особенности.
Наблюдения – основной источник знаний о небесных телах, процессах и явлениях происходящих во Вселенной

Они имеют и особенности в том, что для изучения какого либо явления необходимы:
∙ длительные промежутки времени и одновременное наблюдение родственных объектов (пример-эволюция звезд)
∙ необходимость указания положения небесных тел в пространстве (координаты), так как все светила кажутся далекими от нас (в древности возникло понятие небесной сферы, которая как единое целое вращается вокруг Земли) Пример: Древний Египет, наблюдая за звездой Сотис (Сириус) определили начало разлива Нила, установили продолжительность года в 4240г до н.э. в 365 дней.

Система горизонтальных координат.
Чтобы отыскать на небе светило, надо указать в какой стороне горизонта и как высоко оно находится.
Для этого используется горизонтальная система координат: азимут и высота. Наблюдатель на Земле должен определить вертикальное и горизонтальное направления.
Вертикальное направление определяется с помощью отвеса (на чертеже - линия ZZ’)
Высота (h) светила отсчитывается по окружности, проходящей через зенит и светило, и выражается длиной дуги этой окружности от горизонта.
Азимут (A) - положение светила относительно сторон горизонта, отсчитывается от точки юга в направлении движения часовой стрелки.
S
точка юга
N
точка севера

Первым астрономическим инструментом можно считать гномон- вертикальный шест, закрепленный на горизонтальной площадке, позволявший определять высоту Солнца. Зная длину гномона и тени, можно определить не только высоту Солнца над горизонтом, но и направление меридиана, устанавливать дни наступления весеннего и осеннего равноденствий и зимнего и летнего солнцестояний.

Другие древние астрономические инструменты:
астролябия , армиллярная сфера,
квадрант, параллактическая линейка

Телескопы.
Телескоп - прибор для наблюдения небесных тел, приема и анализа приходящего от них излучения.
Телескоп - увеличивает угол зрения, под которым видны небесные тела (разрешающая способность), и собирает во много раз больше света, чем глаз наблюдателя (проникающая сила).
Поэтому в телескоп можно рассмотреть невидимые невооруженным глазом поверхности ближайших к Земле небесных тел и увидеть множество слабых звезд. Все зависит от диаметра его объектива.

Телескопы.
Телескопы делятся на оптические и радио

Оптические телескопы.
Рефрактор (refracto–преломляю)- используется преломление света в линзе (преломляющий). “Зрительная труба” сделана в Голландии [Х. Липперсгей]. По приблизительному описанию ее изготовил в 1609г Галилео Галилей и впервые направил в ноябре 1609г на небо, а в январе 1610г открыл 4 спутника Юпитера.
Самый большой в мире рефрактор изготовлен Альваном Кларк (оптиком из США) 102см (40 дюймов) и установлен в 1897г в Йерской обсерватории (близь Чикаго). Им же был изготовлен 30 дюймовый и установлен в 1885г в Пулковской обсерватории (разрушен в годы ВОВ).

Оптические телескопы
Рефрактор
(линзовый)-
1609г.
Галилео Галилей
в январе 1610г открыл
4 спутника Юпитера.
Самый большой рефрактор в мире изготовлен Альваном Кларком (диаметр 102см), установлен в 1897г в Йерской обсерватории (США) с тех пор профессионалы не строят гигантские рефракторы.

Рефракторы

Оптические телескопы.
Рефлектор (reflecto–отражаю)- используется вогнутое зеркало, фокусирующее лучи. В 1668г первый зеркальный телескоп изобрел И. Ньютон (1643-1727, Англия) диаметр зеркала 2,5см при 41х увеличении. В те времена зеркала делались из сплавов металла, быстро тускнели.
Самый Большой в мире телескоп им. У. Кека установлен в 1996 году диаметр зеркало 10м (первый из двух, но зеркало не монолитное, а состоит из 36 зеркал шестиугольной формы) в обсерватории Маун-Кеа (Калифорния, США).
В 1995г введен первый из четырех телескопов (диаметр зеркала 8м) (обсерватория ESO, Чили). До этого самый крупный был в СССР, диаметр зеркала 6м, установлен в Ставропольском крае (гора Пастухова, h=2070м) в Специальной астрофизической обсерватории АН СССР (монолитное зеркало 42т , 600т телескоп, можно видеть звезды 24м).

Рефлектор (используется вогнутое зеркало)- изобрел Исаак Ньютон в 1667г

Большой Канарский телескоп
Июль 2007 г - первый свет увидел телескоп Gran Telescopio Canarias на Канарских островах с диаметром зеркала 10,4 м, который является самым большим
оптическим
телескопом в мире
по состоянию
на 2009 год.

Крупнейшими телескопами-рефлекторами являются два телескопа Кека, расположенные на Гавайях, обсерватория Мауна-Кеа (Калифорния, США). Keck-I и Keck-II введены в эксплуатацию в 1993 и 1996 соответственно и имеют эффективный диаметр зеркала 9,8 м. Телескопы расположены на одной платформе и могут использоваться совместно в качестве интерферометра, давая разрешение, соответствующее диаметру зеркала 85 м.

SALT - Большой южно-африканский телескоп (англ. Southern African Large Telescope) — оптический телескоп с диаметром главного зеркала 11 метров, находящийся в Южно-африканской астрономической обсерватории , ЮАР. Это крупнейший оптический
телескоп в южном полушарии.
Дата открытия
2005 год

Большой бинокулярный телескоп (англ. The Large Binocular Telescope (LBT) , 2005 г) — один из наиболее технологически передовых и обладающих наивысшим
разрешением оптических телескопов в мире, расположенный на 3,3-километровой горе Грэхем в юго-восточной части штата Аризона (США).
Телескоп обладает двумя зеркалами
диаметром 8,4 м,
разрешающая способность
эквивалентна телескопу с
одним зеркалом диаметром
22,8 м.

телескоп VLТ (very large telescope) Паранальская обсерватория, Чили - телескоп, созданный по соглашению восьми стран. Четыре телескопа одного типа, диаметр главного зеркала составляет 8,2 м. Свет , собираемый телескопами эквивалентен одиночному зеркалу 16 метров в диаметре.

GEMINI North и GEMINI South
Телескопы-близнецы Gemini North и Gemini South имеют зеркала диаметром 8.1м - международный проект. Они установлены в Северном и Южном полушариях Земли ,чтобы охватить наблюдениями
всю небесную сферу.
Gemini N построен
на горе Мауна Кеа
(Гавайи) на высоте
4100м над уровнем
моря, а Gemini S
сооружен в Сьеро
Пачон (Чили), 2737м.

Крупнейший в Евразии телескоп БТА - Большой Телескоп Азимутальный - находится на территории России, в горах Северного Кавказа и имеет диаметр главного зеркала 6 м. (монолитное зеркало 42т , 600т телескоп, можно видеть звезды 24-й величины). Он работает с 1976 и длительное время был крупнейшим
телескопом в мире.

30-метровый телескоп (Thirty Meter Telescope — TMT): диаметр главного зеркала 30 м (492 сегмента, каждый размером 1,4 м( в стадии строительства)

Обсерватории – научно-исследовательские учреждения Mauna Kea на Гавайях - одно из самых прекрасных мест для наблюдения в мире. С высоты в 4200 метров телескопы могут выполнять измерения в оптическом, инфракрасном диапазоне и иметь длину волны в пол миллиметра.
Телескопы обсерватории Мауна Кеа, Гавайи

Оптические телескопы.
Зеркально – линзовый. Б.В. Шмидтаю (1879-11935, Эстония) построен в 1930 году, диаметр обектива 44 см. Большой светосилы, с большим полем зрения , перед сферическим зрением находится корректирующая пластина.
В 1941 году Д.Д. Максутов (СССР) сделал менисковый, выгоден короткой трубой. Применяется любителями – астрономами.
В 1995г для оптического интерферометра введен в строй первый телескоп с 8м зеркалом (из 4 -х) с базой 100м (пустыне АТАКАМА, Чили; ESO).
В 1996г первый телескоп диаметром 10м (из двух с базой 85м) им. У. Кека введен в обсерватории Маун – Кеа (Калифорния, Гавайские острова, США).

Зеркально-линзовый – 1930г, Барнхард Шмидт (Эстония).
В 1941г Д.Д. Максутов (СССР) создал менисковый с короткой трубой. Применяется любителями – астрономами.

Телескопы.
В астрономии расстояние между небесными телами измеряют углом → угловое расстояние: градусы – 5о, минуты – 13‘, секунды – 21", обычным глазом мы видим рядом 2 звезды (разрешающая способность), если угловое расстояние 1-2'. Угол, под которым мы видим диаметр Солнца и Луны ~ 0,5о= 30'.
∙ В телескоп мы предельно видим: (разрешающая способность) α= 14"/D [D – диаметр объектива телескопа в см.] или α= (206265 ·λ/D)*2,44 [где λ - длина световой волны, а D – диаметр объектива телескопа] .
∙ Количество света, собранного объективом – называется светосилой. Светосила Е=~S (или D2 ) объектива. Е=(D/dхр)2, где dхр- диаметр зрачка человека в обычных условиях 5мм (максимум в темноте 8мм).
∙ Увеличение телескопа =Фокусное расстояние объектива/Фокусное расстояние окуляра. W=F/f=β/α.
При сильном увеличении >500х видно колебания воздуха, поэтому телескоп необходимо располагать как можно выше в горах и где небо часто безоблачно, а еще лучше за пределами атмосферы ( в космосе).

Радиотелескоп - астрономический инструмент для приёма радиоизлучения небесных объектов (в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике) и исследования его характеристик.
Состоит: антенна и чувствительный приемник с усилителем. Собирает радиоизлучение, фокусирует его на детекторе, настроенном на выбранную длину волны, преобразует этот сигнал. В качестве антенны используется большая вогнутая чаша или зеркало параболической формы.
преимущества: в любую погоду и время суток можно вести наблюдение объектов, недоступные для оптических телескопов.

Реши задачу.
Для 6м телескопа– рефлектора в Специальной астрофизической обсерватории (на северном Кавказе) определить разрешающую способность, светосилу и увеличение, если используется окуляр с фокусным расстоянием 5см (F=24м).

Проверь себя.
Решение:
α= 14"/600 ≈ 0,023"[при α= 1" спичечная коробка видна на расстоянии 10км].
Е=(D/dхр)2=(6000/5)2= 1202=14400[во столько раз собирает больше света, чем глаз наблюдателя]
W=F/f=2400/5=480

Радиотелескопы
Радиотелескопы- преимущества: в любую погоду и время суток можно вести наблюдение объектов, недоступные для оптических. Представляют собой чашу (подобие локатора). Радиоастрономия получило развитие после войны. Наибольшие сейчас радиотелескопы это неподвижные РАТАН- 600, Россия (вступил в строй в 1967г в 40 км от оптического телескопа, состоит из 895 отдельных зеркал размером 2,1х7,4м и имеет замкнутое кольцо диаметром 588м), Аресибо (Пуэрто –Рико, 305м-забетонированная чаша потухшего вулкана, введен в 1963г). Из подвижных имеют два радиотелескопа 100м чашу.

Радиоантенна Янского . Первым космическое радиоизлучение зарегистрировал Карл Янский в 1931 году. Его радиотелескоп представлял собой вращающуюся деревянную конструкцию, установленную на автомобильных колесах для исследования помех радиотелефонной связи на длинах волн λ = 4 000 м и λ = 14,6 м.
К 1932 году стало ясно, что радиопомехи приходят из Млечного Пути, где расположен центр Галактики.
А в 1942 было открыто радиоизлучение Солнца

Аресибо (остров Пуэрто –Рико, 305м-забетонированная чаша потухшего вулкана, введен в 1963г). Самая большая радиоантенна в мире

Радиотелескоп РАТАН- 600, Россия(Сев.Кавказ) , вступил в строй в 1967г , состоит из 895 отдельных зеркал размером 2,1х7,4м и имеет замкнутое кольцо диаметром 588м

15-метровый телескоп Европейской Южной обсерватории

Система радиотелескопов VLA Very Large Array в Нью-Мексико (США) состоит из 27 тарелок, каждая диаметром 25 метров.
Налаживают связь между радиотелескопами, находящимися в разных странах и даже на разных континентах. Такие системы получили название радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (РСДБ). Дают максимально возможное угловое разрешение, в несколько тысяч раз лучшее, чем у любого оптического телескопа.

LOFAR - первый цифровой радиотелескоп, который не нуждается ни в подвижных частях, ни в моторах . Открыт в 2010г. июнь.
Много простых антенн, гигантские объемы данных и мощности компьютеров.
LOFAR представляет собой гигантский массив, состоящий из 25 тысяч небольших антенн (от 50 см до 2 м в поперечнике). Диаметр LOFAR – примерно 1000 км. Антенны массива расположены на территории нескольких стран: Германии, Франции, Великобритании, Швеции.

Космические телескопы
Космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST) — это целая обсерватория на околоземной орбите, общее детище NASA и Европейского космического агентства. Работает с 1990 г. Самый крупный оптический телескоп, который ведет наблюдения в инфракрасном, ультрафиолетовом диапазоне.
За 15 лет работы «Хаббл» получил 700 000 снимков 22 000 всевозможных небесных объектов — звезд, туманностей, галактик, планет.
Длина - 15,1 м, вес 11,6 тонн, зеркало 2,4 м

Рентгеновский телескоп «Чандра»
(Chandra X-ray Observatory)
вышел в космос 23 июля 1999 года. Его задача — наблюдать рентгеновские лучи, исходящие из областей, где есть очень высокая энергия, например, в областях звездных взрывов

Телескоп «Спитцер» (Spitzer) — был запущен НАСА 25 августа 2003. Он наблюдает космос в инфракрасном диапазоне. В этом диапазоне находится максимум излучения слабосветящегося вещества Вселенной — тусклых остывших звезд, гигантских молекулярных облаков.

Телескоп «Кеплер» запустили 6 марта 2009 года. Это первый телескоп специально предназначенный для поиска экзопланет. Он будет наблюдать изменение яркости более чем 100 000 звезд в течение 3,5 лет. За это время он должен определить, сколько планет, подобных Земле, находится на пригодном для развития жизни удалении от своих звезд, составить описание этих планет и формы их орбит, изучить свойства звезд и многое другое.
Когда «Хаббл» «уйдет на пенсию», его место должен занять космический телескоп имени Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST). У него будет огромное зеркало 6,5 метров в диаметре. Его задача — найти свет первых звезд и галактик, которые появились сразу после Большого взрыва. Его запуск запланирован на 2013 год. И кто знает, что он увидит в небе и как изменится наша жизнь.