Предмет астрономии, объекты изучения. Что изучает астрономия

Люди издавна пытались разгадать тайну окружающего мира, определить свое место в мировом порядке Вселенной, которую древнегреческие философы называли Космосом. Так человек пристально наблюдал за восходами и заходами Солнца, за порядком смены фаз Луны - ведь от этого зависела его жизнь и трудовая деятельность. Человека интересовал неизменный суточный ход звезд, но пугали непредсказуемые явления - затмения Луны и Солнца, появление ярких комет. Люди пытались понять закономерность небесных явлений и осмыслить свое место в этом безграничном мире. Астрономия исследует небесные объекты, явления и процессы, происходящие во Вселенной.

Астрономия (греч. ástron - звезда, светило, nómos - закон) - фундаментальная наука, изучающая строение, движение, происхождение и развитие небесных тел, их систем и всей Вселенной в целом.

Астрономия как наука - важный вид человеческой деятельности, дающий систему знаний о закономерностях в развитии природы. Цель астрономии - изучить происхождение, строение и эволюцию Вселенной.

Важными задачами астрономии являются объяснение и прогнозирование астрономических явлений, таких, как солнечные и лунные затмения, появление периодических комет, прохождение вблизи Земли астероидов, крупных метеорных тел или ядер комет. Астрономия занимается изучением физических процессов, происходящих в недрах планет, на поверхности и в их атмосферах, чтобы лучше понять строение и эволюцию нашей планеты. Восемь больших планет (среди них Земля), карликовые планеты, их спутники, астероиды, метеорные тела, кометы, межпланетная пыль и полевые формы материи вместе с Солнцем составляют гравитационно-связанную Солнечную систему. Исследование движения небесных тел позволяет выяснить вопрос об устойчивости Солнечной системы, о вероятности столкновения Земли с астероидами и ядрами комет. Не теряет актуальность открытие новых объектов Солнечной системы и изучение их движения. Важно знание процессов, происходящих на Солнце, и прогнозирование их дальнейшего развития, так как от этого зависит существование всего живого на Земле. Изучение эволюции других звезд и сравнение их с Солнцем помогают познать этапы развития нашего светила.

Исследование нашей звездной Галактики и других галактик позволяет определить ее тип, эволюцию, место, занимаемое в ней Солнечной системой, вероятность близкого прохождения от Солнца других звезд или прохождения его самого через межзвездные облака газа и пыли.

Итак, астрономия изучает строение и эволюцию Вселенной. Под термином «Вселенная» понимается максимально большая область пространства, включающая в себя все доступные для изучения небесные тела и их системы.

Объекты астрономии

Астрономия прошла долгое развитие от первых попыток древними людьми что-то узнать о мироздании, до современных технологичных аппаратов, позволяющих заглянуть в глубь Вселенной и узнать её прошлое и будущее. Рассмотрим кратко, что является объектами изучения современной астрономии.

В астрономии объектами изучения являются небесные тела, расположенные в том числе и в нашей Солнечной системе (Солнце, планеты, метеориты и т. д).

Итак, какими же особенностями обладает астрономический объект?

Астрономический объект (или тело) имеет следующие характеристики.

Определение 1

Астрономический объект это, как правило, некое тело которое имеет обособленную, связанную гравитацией структуру. Иногда, эта структура может быть связана электромагнетизмом. Такими объектами, в частности, являются астероиды, спутники, планеты, а также звезды.

Исследователи отмечают, что в изучаемой ими Вселенной просматривается явно некая иерархическая структура. Так, астрономы могут наблюдать, что галактики организуются в группы и скопления галактик, а те в свою очередь - в сверхскопления. При этом галактики образуют то, что астрономы называют «наблюдаемой Вселенной».

Как галактики, так и карликовые галактики могут иметь разнообразные структуры. Такая структура определяется особенностями формирования и эволюции галактик, и особенностями взаимодействия с иными галактиками.

Так, в зависимости от типа галактики, у неё может быть несколько различных компонентов, таких как:

• спиральные рукава,
• гало,
• ядро.

Отметим, что согласно современным представлениям, в ядре большинства галактик существуют массивные черные дыры. Данные черные дыры и приводят в результате к появлению активных ядер. Кроме того, у галактик могут существовать спутники. Спутниками галактик могут быть карликовые галактики и шаровые звездные скопления.

Отметим также и особенности формирования составных частей галактики. Такие части сформированы из газа и пыли, которые собираются гравитацией в иерархическом порядке. На данном уровне мы встречаем в основном звезды. Они собираются в звездные скопления, которые формируются в регионах так называемого звездообразования.

Разнообразие типов звезд обусловлено такими причинами как их масса, состав и идущая в этом момент эволюция звезды. Звезды также могут объединяться в звездные системы.

Звездные системы, в свою очередь, состоят из нескольких частей, которые обращаются друг вокруг друга или же вокруг центра массы.

В свою очередь планетарные системы и малые тела, такие как астероиды, кометы и т. д. формируются процессами (называемыми аккреционными), происходящими в протопланетном диске. Этот диск окружает новорожденные звезды.

Объекты Солнечной системы

Рассмотрим как пример объекты Солнечной системы.

Рисунок 1. Объекты Солнечной системы. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

Солнечная система представляет собою планетную систему в состав которой входит центральная звезда по имени Солнце. Также в Солнечную систему входят все прочие естественные космические объекты которые обращаются вокруг нашего светила. Солнечная система согласно научным данным сформировалась в результате гравитационного сжатия газопылевого облака примерно 4,57 млрд. лет назад.

Отметим, что общая масса Солнечной системы равна 1,0014 M☉. При этом большая часть массы приходится как раз на Солнце.

Меркурий, Венера, Земля и Марс расположены ближе всего к Солнцу и их называют планетами земной группы. Эти планеты состоят в основном из силикатов и металлов.

Следующие четыре планеты более удалены от Солнца. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их называют также газовыми гигантами. Эти планеты обладают гораздо большей массой чем планеты земной группы.

Самые крупные планеты Солнечной системы Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и гелия.

Газовые гиганты меньшего размера - Уран и Нептун, кроме водорода и гелия имеют в своем составе метан и угарный газ. Также эти планеты выделяются в отдельный класс «ледяных гигантов».

Кроме того, шесть планет из восьми и четыре карликовые планеты имеют естественные спутники. Планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют такую особенность как окружающие их кольца пыли и иных частиц.

В Солнечной системе присутствуют также две области, которые имеют в своем наличии множество малых тел. Это, пояс астероидов, который находится между Марсом и Юпитером. По составу данный пояс схож с планетами земной группы. Астероиды как и планеты земной группы состоят в основном из силикатов и металлов.

Самыми крупными объектами рассматриваемого пояса астероидов являются следующие небесные тела: планета Церера, а также астероиды Паллада, Веста и Гигея.

За орбитой планеты Нептун находятся так называемые транснептуновые объекты. Они состоят в основном из замерзшей воды, аммиака и метана. Наиболее крупными из них считаются такие объекты как:

• Плутон,
• Седна,
• Хаумеа,
• Макемаке,
• Квавар,
• Эрида.

Замечание 2

Отметим, что не так давно Плутон считался девятой планетой Солнечной системой, но был «разжалован» в связи с дополнительными научными изысканиями.

Также в нашей Солнечной системе присутствуют такие виды малых астрономических объектов как планетные квазиспутники и троянцы, кентавры, околоземные астероиды, дамоклоиды. Кроме того, по Солнечной системе происходят перемещения комет, метеороидов и космической пыли. .

Заметим также, что существует и солнечный ветер, который является потоком плазмы от нашего Солнца. Этот солнечный ветер образует границу гелиосферы в межзвездной среде. Гелиосфера простирается по наблюдениям специалистов до самого края рассеянного диска. В свою очередь, так называемое, облако Оорта, которое служит источником долгопериодических комет, простирается по оценкам специалистов приблизительно в тысячу раз дальше, чем гелиосфера.

Астрономия изучает строение, движение, происхождение и развитие небесных тел, их систем и всей Вселенной в целом. Другими словами, астрономия изучает изучает строение и эволюцию Вселенной.

Важными задачами астрономии являются объяснение и прогнозиро-
вание астрономических явлений, таких, как солнечные и лунные зат-
мения, появление периодических комет, прохождение вблизи Земли
астероидов, крупных метеорных тел или ядер комет.

2. Как возникла наука астрономия? Охарактеризуйте основные периоды её развития.

Как и другие науки, астрономия возникла из практических потребностей человека: необходимость ориентирования при кочевом образе жизни, предсказания наступления сезонов года при земледелии, потребность в измерении времени и летоисчеслении (составлении календарей).

3. Какие объекты и их системы изучает астрономия? Перечислите их в порядке увеличения размеров.

Астрономия изучает и исследует небесные объекты (галактики, звёзды, межзвёздную среду, планеты, спутники планет, карликовые палнеты и малые тела Солнечной системы), объясняет и прогнозирует астрономические явления (солнечные и лунные затмения, появление периодических комет, движение планет, астероидов и т. д.), исследует процессы, происходящие в недрах Солнца и звёзд, эволюцию небесных тел и Вселенной в целом.

4. Из каких разделов состоит астрономия? Кратко охарактеризуйте каждый из них.

1. Практическая астрономия . Развивающиеся торговля и мореплавание нуждались в разработке методов ориентации, определении географического положения наблюдателя, точном измерении времени исходя из астрономических наблюдений.
2. Небесная механика . Изучение движения небесных тел.
3. Сравнительная планетология . Учёные взялись за изучение и сравнение Земли с другими планетами и спутниками с помощью оптических приборов.
4. Астрофизика . Изучение физическиз явлений и химических процессов в небесных телах, их системах и в космическом пространстве.
5. Звёздная астрономия . Изучение движения звёзд в нашей Галактике, исследование свойств других звёздных систем.
6. Космология . Изучение происхождения, строения и эволюции Вселенной.
7. Радиоастрономия . Изучение радиоизлучений Солнца и далёких космических объектов.

5. Что такое телескоп и для чего он предназначен?

Телескопы служат для собирания света исследуемых небесных тел и получения их изображения. Телескоп увеличивает угол зрения, под которым видны небесные тела, и собирает во много раз больше света, приходящего от светила, чем невооружённый глаз наблюдателя. Благодаря этому в телескоп можно рассматривать невидимые с Земли детали поверхности ближайших небесных тел, а также множество слабых звёзд.

1. Астрономия – новая дисциплина в курсе, хотя вкратце с некоторыми вопросами вы знакомы.
2. Что нужно:

1. Учебник: . Астрономия. Базовый уровень.11 класс: учебник /Б.А. Воронцов-Вельяминов, Е.К. Страут – 5-е изд., пересмотр.- М.: Дрофа, 2018.-238с, с: ил.,8 л. цв. вкл.- (Российский учебник).;
2. общая тетрадь – 48 листов.

1. Как работать с учебником.

• проработать (а не прочитать) параграф
• вникнуть в сущность, разобраться с каждым явлениями и процессами
• проработать все вопросы и задания после параграфа, кратко в тетрадях
• контролировать свои знания по перечню вопросов в конце темы
• дополнительно материал посмотреть в Интернете

Тема 1.1 Предмет астрономии. Наблюдения - основа астрономии.

1.1.1 Что изучает астрономия. Ее значение и связь с другими науками

Астрономия является одной из древнейших наук, истоки которой относятся к каменному веку (VI-III тысячелетия до н. э.).

Астрономия это наука, изучающая движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем .

Астрономия [греч. Астрон (astron) - звезда, номос (nomos) -закон] – наука, которая изучает движение небесных тел (раздел “небесная механика”), их природу (раздел “астрофизика”), происхождение и развитие (раздел “космогония”)

Астрономия – одна из самых увлекательных и древнейших наук о природе – исследует не только настоящее, но и далекое прошлое окружающего нас макромира, а также позволяет нарисовать научную картину будущего Вселенной. Человека всегда интересовал вопрос о том, как устроен окружающий мир и какое место он в нем занимает. У большинства народов еще на заре цивилизации были сложены особые - космологические мифы, повествующие о том, как из первоначального хаоса постепенно возникает космос (порядок), появляется все, что окружает человека: небо и земля, горы, моря и реки, растения и животные, а также сам человек. На протяжении тысячелетий шло постепенное накопление сведений о явлениях, которые происходили на небе.

Потребность в астрономических знаниях диктовалась жизненной необходимостью (демонстрация фильмов: "Все тайны космоса #21 - Открытие - история астрономии " и Астрономия (2⁄15). Самая древняя наука .)

Оказалось, что периодическим изменениям в земной природе сопутствуют изменения вида звездного неба и видимого движения Солнца. Высчитать наступление определенного времени года было необходимо для того, чтобы в срок провести те или иные сельскохозяйственные работы: посев, полив, уборку урожая. Но это можно было сделать лишь при использовании календаря, составленного по многолетним наблюдениям положения и движения Солнца и Луны. Так необходимость регулярных наблюдений за небесными светилами была обусловлена практическими потребностями счета времени. Строгая периодичность, свойственная движению небесных светил, лежит в основе основных единиц счета времени, которые используются до сих пор, - сутки, месяц, год.

Простое созерцание происходящих явлений и их наивное толкование постепенно сменялись попытками научного объяснения причин наблюдаемых явлений. Когда в Древней Греции (VI в. до н. э.) началось бурное развитие философии как науки о природе, астрономические знания стали неотъемлемой частью человеческой культуры. Астрономия - единственная наука, которая получила свою музу-покровительницу - Уранию.

О первоначальной значимости развития астрономических знаний можно судить в связи с практическими потребностями людей. Их можно разделить на несколько групп:

• cельскохозяйственные потребности (потребность в отсчете времени - сутки, месяцы, годы. Например, в Древнем Египте определяли время посева и уборки урожая по появлению перед восходом солнца из-за края горизонта яркой звезды Сотис - предвестника разлива Нила);
• потребности в расширении торговли , в том числе морской (мореплавание, поиск торговых путей, навигация. Так, финикийские мореплаватели ориентировались по Полярной звезде, которую греки так и называли - Финикийская звезда);
• эстетические и познавательные потребности, потребности в целостном мировоззрении (человек стремился объяснить периодичность природных явлений и процессов, возникновение окружающего мира).

Зарождение астрономии в астрологических идеях свойственно мифологическому мировоззрению древних цивилизаций.

I-й Античный мир (до н. э). Философия →астрономия → элементы математики (геометрия). Древний Египет, Древняя Ассирия, Древние Майя, Древний Китай, Шумеры, Вавилония, Древняя Греция.

Ученые, внесшие значительный вклад в развитие астрономии: ФАЛЕС Милетский (625-547, Др.Греция), ЕВДОКС Книдский (408- 355, Др. Греция), АРИСТОТЕЛЬ (384-322, Македония, Др. Греция), АРИСТАРХ Самосский (310-230, Александрия, Египет), ЭРАТОСФЕН (276-194, Египет), ГИППАРХ Родосский (190-125г, Др.Греция).

Археологами установлено, что человек владел начальными астрономическими знаниями уже 20 тыс. лет назад в эпоху каменного века.

• Доисторический этап от 25 тыс.лет до н.э.- до 4 тыс. до н.э.(наскальные рисунки, природные обсерватории и т.д.).
• Древний этап условно можно считать от 4.000лет до н.э.-1000 до н.э.:
  • около 4.тыс. лет до н.э. астрономические памятники древних майя, каменная обсерватория Стоунхендж (Англия);
  • около 3000 лет до н.э. ориентировка пирамид, первые астрономические записи в Египте, Вавилоне, Китае;
  • около 2500лет до н.э. установление египетского солнечного календаря;
  • около 2000 лет до н.э. создание 1-ой карты неба (Китай);
  • около 1100 лет до н.э. определение наклона эклиптики к экватору;
• Античный этап
  • идеи о шарообразности Земли (Пифагор, 535 г. до н.э.);
  • предсказание Фалесом Милетским солнечного затмения (585 г. до н.э.);
  • установление 19-летнего цикла лунных фаз (цикл Метона, 433 г. до н.э);
  • идеи о вращении Земли вокруг оси (Гераклит Понтийский, 4 век до н.э);
  • идея концентрических кругов (Евдокс), трактат «О Небе» Аристотель (доказательство шарообразности Земли и планет) составление первого каталога звёзд 800 звёзд, Китай (4 век до н.э.);
  • начало систематических определений положений звёзд греческими астрономами, развитие теории системы мира (3 век до н.э.);
  • открытие прецессии, первые таблицы движения Солнца и Луны, звездный каталог 850 звезд (Гиппарах, (2 Век до н.э);
  • идея о движении Земли вокруг Солнца и определение размеров Земли (Аристарх Самосский, Эратосфен 3-2 в. до н.э.);
  • введение в римской империи Юлианского календаря (46 г. до н.э);
  • Клавдий Птолемей – «Синтаксис»(Альмогест)-энциклопедия античной астрономии, теория движения, планетные таблицы (140 г. н.э).

Представление об астрономических познаниях греков этого периода дают поэмы Гомера и Гесиода: там упоминается ряд звёзд и созвездий, приводятся практические советы по использованию небесных светил для навигации и для определения сезонов года. Космологические представления этого периода целиком заимствовались из мифов: Земля считается плоской, а небосвод - твёрдой чашей, опирающейся на Землю. Главными действующими лицами этого периода являются философы , интуитивно нащупывающие то, что впоследствии будет названо научным методом познания. Одновременно проводятся первые специализированные астрономические наблюдения, развивается теория и практика календаря; в основу астрономии впервые полагается геометрия, вводится ряд абстрактных понятий математической астрономии; делаются попытки отыскать в движении светил физические закономерности. Получили научное объяснение ряд астрономических явлений, доказана шарообразность Земли.

II-ой Дотелескопический период. (наша эра до 1610г). Упадок науки и астрономии. Развал Римской империи, набеги варваров, зарождение христианства. Бурное развитие арабской науки. Возрождение науки в Европе. Современная гелиоцентрическая система строения мира.

Клавдий ПТОЛЕМЕЙ (Клавдиус Птоломеус )(87-165, Др. Рим), БИРУНИ, Абу Рейхан Мухаммед ибн Ахмед аль – Бируни (973-1048, совр. Узбекистан), Мирза Мухаммед ибн Шахрух ибн Тимур (Тарагай ) УЛУГБЕК (1394 –1449, совр. Узбекистан), Николай КОПЕРНИК (1473-1543,Польша), Тихо (Тиге) БРАГЕ (1546- 1601, Дания).

• Арабский период. После падения античных государств в Европе античные научные традиции (в том числе и астрономии) продолжили развитие в арабском халифате, а также в Индии и Китае
  • 813г. Основание в Багдаде астрономической школы (дом мудрости);
  • 827г. определение размеров земного шара по градусным измерениям между Тигром и Евфратом;
  • 829г. основание Багдадской обсерватории;
  • Х в. открытие лунного неравенства (Абу-ль-Вафа, Багдад);
  • каталог 1029 звёзд, уточнение наклона эклиптики к экватору, определение длинны 1° меридиана (1031г, Ал-Бируни);
  • многочисленные работы по астрономии до конца 15 века (календарь Омара Хайяма, «Ильханские таблицы» движения Солнца и планет(Насирэддин Тусси, Азербайджан), работы Улугбека);
• Европейское возрождение. В конце 15 века начинается возрождение астрономических знания в Европе, которое привело к первой революции в астрономии. Эта революция в астрономии была вызвана требованиями практики – начиналась эпоха великих географических открытий.
  • Дальние плавания требовали точных методов определения координат. Система Птолемея не могла обеспечить возросших потребностей. Страны, которые первыми обратили внимание на развитие астрономических исследований, добивались наибольших успехов в открытии и освоении новых земель.
  • В Португалии, еще в 14 веке принц Генрих основал обсерваторию для обеспечения потребностей мореплавания, и Португалия первая из Европейских стран начала захват и эксплуатацию новых территорий.
  • Важнейшие достижения европейской астрономии XV - XVI веков это планетные таблицы (Региомонтан из Нюрнберга, 1474г.),
  • работы Н.Коперника, которые произвели первую революцию в Астрономии (1515-1540 гг.),
  • наблюдения датского астронома Тихо Браге в обсерватории Ураниборг на острове Вэн (самые точные в дотелескопическую эпоху).

III-ий Телескопический до появления спектроскопии (1610-1814гг). Изобретение телескопа и наблюдения с его помощью. Законы движения планет. Открытие планеты Уран. Первые теории образования Солнечной системы.

Ученые, внесшие значительный вклад в развитие астрономии в данный период: Галилео ГАЛИЛЕЙ (1564-1642, Италия), Иоганн КЕПЛЕР (1571-1630, Германия), Ян ГАВЕЛИЙ (ГАВЕЛИУС ) (1611-1687, Польша), Ганс Христиан ГЮЙГЕНС (1629-1695, Нидерланды), Джованни Доминико (Жан Доменик) КАССИНИ> (1625-1712, Италия-Франция), Исаак НЬЮТОН (1643-1727, Англия), Эдмунд ГАЛЛЕЙ ( ХАЛЛИ , 1656-1742, Англия), Вильям (Уильям) Вильгельм Фридрих ГЕРШЕЛЬ (1738-1822, Англия), Пьер Симон ЛАПЛАС (1749-1827, Франция).

• В начале 17 века (Липперсгей, Галилей, 1608 г) был создан оптический телескоп, многократно раздвинувший горизонт познания человечества о мире.
  • определяется параллакс Солнца (1671), что позволило с высокой точностью определить астрономическую единицу и определить скорость света,
  • открываются тонкие движения оси Земли, собственные движения звёзд, законы движения Луны,
  • в 1609- 1618 гг. Кеплер на основе этих наблюдений планеты Марс открыл три закона движения планет,
  • в 1687г. Ньютон опубликовал закон всемирного тяготения, объясняющий причины движения планет.
  • создаётся небесная механика;
  • определяются массы планет;
  • в начале ХIХ века (1.01.1801г.) Пиацци открывает первую малую планету (астероид) Цереру;
  • в 1802 и в 1804 годах были открыты Паллада и Юнона.

IV-ый Спектроскопия и фотография . (1814-1900гг). Спектроскопические наблюдения. Первые определения расстояния до звезд. Открытие планеты Нептун.

Ученые, внесшие значительный вклад в развитие астрономии в данный период: Йозеф фон ФРАУНГОФЕР (1787-1826, Германия), Василий Яковлевич (Фридрих Вильгельм Георг) СТРУВЕ (1793-1864, Германия-Россия), Джордж Бидделл ЭРИ (ЭЙРИ , 1801-1892, Англия), Фридрих Вильгельм БЕССЕЛЬ (1784-1846, Германия), Иоганн Готфрид ГАЛЛЕ (1812-1910, Германия), Уильям ХЕГГИНС (Хаггинс , 1824-1910, Англия), Анжело СЕККИ (1818-1878, Италия), Федор Александрович БРЕДИХИН (1831-1904, Россия), Эдуард Чарльз ПИКЕРИНГ (1846-1919, США).

• В 1806 - 1817 гг И.Фраунтгофер (Германия) создаёт основы спектрального анализа, измеряет длинны волн солнечного спектра и линий поглощения, заложив таким образом основы астрофизики.
• В 1845 г. И.Физо и Ж.Фуко (Франция) получили первые фотографии Солнца.
• В 1845 - 1850 гг лорд Росс (Ирландия) открыл спиральную структуру некоторых туманностей
• в 1846 г. И.Галле (Германия) по вычислениям У.Леверье (Франция) открыл планету Нептун, что явилось триумфом небесной механики
• Внедрение в астрономию фотографии позволило получить фотоснимки солнечной короны и поверхности Луны, начать исследования спектров звёзд, туманностей, планет.
• Прогресс в оптике и телескопостроении позволил открыть спутники Марса, описать поверхность Марса по наблюдениям его в противостоянии (Д. Скиапарелли)
• Повышение точности астрометрических наблюдений позволило измерить годичный параллакс звёзд (Струве, Бессель, 1838г), открыть движение земных полюсов.

V-ый Современный период (1900-наст.время). Развитие применения в астрономии фотографии и спектроскопических наблюдений. Решение вопроса об источнике энергии звезд. Открытие галактик. Появление и развитие радиоастрономии. Космические исследования.

• В начале ХХ века К.Э.Циолковский издаёт первое научное сочинение по космонавтике - «Исследование мировых пространств реактивными приборами».
• В 1905 г. А.Эйнштейн создаёт специальную теорию относительности
• в 1907 - 1916 годах общую теорию относительности, что позволило объяснить имеющиеся противоречия между существовавшей физической теорией и практикой, дало импульс для разгадки тайны энергии звёзд, стимулировало развитие космологических теорий
• В 1923 г Э.Хаббл доказал существование других звёздных систем - галактик
• в 1929 г. Э.Хаббл открыл закон «красного смещения» в спектрах галактик.
• в 1918 г. установлен 2,5 – метровый рефлектор в обсерватории Маунт-Вилсон, а в 1947 г.там же вступил в строй 5-и метровый рефлектор)
• Радиоастрономия возникла в 30-х годах 20-го века вместе с появлением первых радиотелескопов.
• В 1933 Карл Янский из Bell Labs обнаружил радиоволны, идущие из центра галактики.
• Гроут Ребер в 1937 году сконструировал первый параболический радиотелескоп.
• В 1948 г. запуски ракет в высокие слои атмосферы (США) позволили обнаружить рентгеновское излучение солнечной короны.
• Арономы начали изучение физической природы небесных тел и значительно расширили границы исследуемого пространства.
• Астрофизика стала ведущим разделом астрономии, она получила особенно большое развитие в XX в. и продолжающая бурно развиваться в наши дни.
• В 1957 г. было положено начало качественно новым методам исследований, основанным на использовании искусственных небесных тел, что в дальнейшем привело к возникновению новых разделов астрофизики.
• В 1957 в СССР запущен первый искусственный спутник Земли, что ознаменовало начало космической эры для человечества.
• Космические аппараты позволили выводить за пределы земной атмосферы инфракрасные, рентгеновские и гамма-телескопы).
• Первые полеты человека в космос (1961 г., СССР), первая высадка людей на Луну (1969 г., США), - эпохальные события для всего человечества.
• Доставка на Землю лунного грунта (Луна-16, СССР, 1970 г.),
• Посадка спускаемых аппаратов на поверхности Венеры и Марса,
• Посылка автоматических межпланетных станций к более далеким планетам Солнечной системы.

(Подробнее смотрите Хронологию космических исследований и Хронология освоения космоса .)

1.1.2 Связь астрономии c другими науками.

Выросшие из единой когда-то науки о природе - философии - астрономия, математика и физика никогда не теряли тесной связи между собой. Астрономия сыграла настолько ведущую роль в истории науки, что многие ученые черпали из нее задания и создавали методы решения этих задач. Астрономия, математика и физика никогда не теряли взаимосвязи, что нашло отражение в деятельности многих ученых.

Связь астрономии с другими науками - взаимопроникновение и взаимовлияние научных областей:

1.1.3 Структура и масштабы Вселенной

Вы уже знаете, что наша Земля со своим спутником Луной, другие планеты и их спутники, кометы и малые планеты обращаются вокруг Солнца, что все эти тела составляют Солнечную систему. В свою очередь, Солнце и все другие звезды, видимые на небе, входят в огромную звездную систему - нашу Галактику. Самая близкая к Солнечной системе звезда находится так далеко, что свет, который распространяется со скоростью 300 000 км/с, идет от нее до Земли более четырех лет. Звезды являются наиболее распространенным типом небесных тел, в одной только нашей Галактике их насчитывается несколько сотен миллиардов. Объем, занимаемый этой звездной системой, так велик, что свет может пересечь его только за 100 тыс. лет.

Во Вселенной существует множество других галактик, подобных нашей. Именно расположение и движение галактик определяет строение и структуру Вселенной в целом. Галактики так далеки друг от друга, что невооруженным глазом можно видеть лишь три ближайшие: две - в Южном полушарии, а с территории России всего одну - туманность Андромеды. От наиболее удаленных галактик свет доходит до Земли за 10 млрд лет. Значительная часть вещества звезд и галактик находится в таких условиях, создать которые в земных лабораториях невозможно. Все космическое пространство заполнено электромагнитным излучением, гравитационными и магнитными полями, между звездами в галактиках и между галактиками находится очень разреженное вещество в виде газа, пыли, отдельных молекул, атомов и ионов, атомных ядер и элементарных частиц.

Все тела во Вселенной образуют системы различной сложности:

1. Солнечная система - Солнце и движущиеся вокруг него небесные 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.
2. Видимые на небе звезды , в том числе Млечный путь – это ничтожная доля звезд, входящих в состав Галактики (или называют нашу галактику Млечный Путь)– системы звезд, их скоплений и межзвездной среды. Таких галактик множество, свет от ближайших идет к нам миллионы лет. Возраст Галактик 10-15 млрд. лет.
3. Галактики объединяются в своего рода скопления (системы)

Все тела находятся в непрерывном движении, изменении, развитии. Планеты, звезды, галактики имеют свою историю, нередко исчисляемую миллиардами лет.

Как известно, расстояние до ближайшего к Земле небесного тела - Луны составляет примерно 400.000 км. Наиболее удаленные объекты располагаются от нас на расстоянии, которое превышает расстояние до Луны более чем в 10 раз.

Попробуем представить размеры небесных тел и расстояния между ними во Вселенной, воспользовавшись хорошо известной моделью - школьным глобусом Земли, который в 50 млн раз меньше нашей планеты. В этом случае мы должны изобразить Луну шариком диаметром 7 см, находящимся от глобуса на расстоянии около 7,5 м. Модель Солнца будет иметь диаметр 28 м находиться на расстоянии 3 км, а модель Плутона - самой далекой планеты Солнечной системы - будет удалена от нас на 120 км. Ближайшая к нам звезда при таком масштабе модели будет располагаться на расстоянии примерно 800.000 км, т. е. в 2 раза дальше, чем Луна. Размеры нашей Галактики сократятся примерно до размеров Солнечной системы, но самые далекие звезды все же будут находиться за ее пределами.

На схеме отражена системность и расстояния:

1 астрономическая единица = 149, 6 млн.км (среднее расстояние от Земли до Солнца).

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. 1 световой год равен 9,46 миллионам миллионов километров!

1.1.4 Особенности астрономии и ее методов

На протяжении тысячелетий астрономы изучали положение небесных объектов на звёздном небе и их взаимное перемещение с течением времени. Именно поэтому, долгое время, а точнее с III века до нашей эры господствовала геоцентрическая система мироустройства Клавдия Птолемея . Напомним, что согласно ей, в центре всего мироздания находилась планета Земля, а все остальные небесные тела, в том числе и Солнце, вращались вокруг неё.

И лишь в середине XVI века, а точнее в 1543 году, вышел великий труд Николая Коперника «Об обращении небесных сфер», в котором приводились доводы о том, что центром нашей системы является не Земля, а Солнце. Так возникло гелиоцентрическое учение , которое дало ключ к познанию Вселенной.

Основным способом исследования небесных объектов и явлений служат астрономические наблюдения.

Астрономические наблюдения - это целенаправленная и активная регистрация информации о процессах и явлениях, происходящих во Вселенной.

Астрономия изучает строение Вселенной, движение, физическую природу, происхождение и эволюцию небесных тел и образованных ими систем. Астрономия исследует также фундаментальные свойства окружающей нас Вселенной. Огромные пространственно-временные масштабы изучаемых объектов и явлений определяют отличительные особенности астрономии .

Сведения о том, что происходит за пределами Земли в космическом пространстве, ученые получают главным образом на основе приходящего от этих объектов света и других видов излучения. Наблюдения – основной источник информации в астрономии. Эта первая особенность астрономии отличает ее от других естественных наук (например, физики или химии), где значительную роль играют опыты, эксперименты. Возможности проведения экспериментов за пределами Земли появились лишь благодаря космонавтике. Но и в этих случаях речь идет о проведении экспериментальных исследований небольшого масштаба, таких, например, как изучение химического состава лунных или марсианских пород. Трудно представить себе эксперименты над планетой в целом, звездой или галактикой.

Вторая особенность объясняется значительной продолжительностью целого ряда изучаемых в астрономии явлений (от сотен до миллионов и миллиардов лет). Поэтому непосредственно наблюдать происходящие изменения невозможно. Даже изменения, происходящие на Солнце, на Земле регистрируются лишь через 8 минут и 19 секунд (именно столько времени требуется свету, чтобы преодолеть расстояние от Солнца до Земли). Что же касается далёких галактик, то здесь речь уже идёт о миллиардах лет. То есть, изучая далёкие звёздные системы - мы изучаем их прошлое. Когда изменения происходят особенно медленно, приходится проводить наблюдения многих родственных между собой объектов, например звезд. Основные сведения об эволюции звезд получены именно таким способом.

Третья особенность астрономии обусловлена необходимостью указать положение небесных тел в пространстве (их координаты) и невозможностью различить, какое из них находится ближе, а какое дальше от нас. На первый взгляд все наблюдаемые светила кажутся нам одинаково далекими. Нам, как и людям в древности, кажется, что все звёзды одинаково удалены от нас и располагаются на некой сферической поверхности неба - небесной сфере, - которая как единое целое вращается вокруг Земли.

Итак, как наука, астрономия основывается, прежде всего, на наблюдениях. В отличие от физиков астрономы лишены возможности ставить эксперименты. Практически всю информацию о небесных телах приносит нам электромагнитное излучение. Только в последние сорок лет отдельные миры стали изучать непосредственно: зондировать атмосферы планет, изучать лунный и марсианский грунт, изучать непосредственно атмосферу Титана.

В XIX веке физические методы исследования проникли в астрономию, и возникла симбиотическая наука - астрофизика, которая изучает физические свойства космических тел. Астрофизика делится на: а) практическую астрофизику , в которой разрабатываются и применяются практические методы астрофизических исследований и соответствующие инструменты и приборы, способные получить максимально полную и объективную информацию о космических телах; б) теоретическую астрофизику , в которой на основании законов физики даются объяснения наблюдаемым физическим явлениям.

Современная астрономия – фундаментальная физико-математическая наука, развитие которой непосредственно связан с научно-технический прогресс (НТП). Для исследования и объяснения процессов используется весь современный арсенал разнообразных, вновь возникших разделов математики и физики. Существует и профессия астронома . Астрономов в нашей стране готовят на физических, или физико-математических факультетах Московского, Санкт-Петербургского, Казанского, Екатеринбургского и некоторых других университетах. В год подготавливается около 100 специалистов. На территории бывшего СССР работало около 2000 астрономов (сейчас в России около 1000, причем активно работающих порядка 100), а в мире профессиональных астрономов около 10000. Настоящий астроном - человек широкого кругозора. Чтобы работать астрономом, надо знать физику, химию, биологию, не говоря об обязательной математике. Русские ученые сделали в астрономии важнейшие фундаментальные открытия. Георгий Гамов предсказал расширение Вселенной. Александр Фридман создал теорию нестационарной Вселенной, хотя Эйнштейн доказывал, что она стационарна. Зельдович предвидел аккрецию, то есть выпадение вещества на черные дыры. Шкловский предсказал радиолинии нейтрального водорода. Синхротронное излучение было описано Гинзбургом. Но экспериментальная проверка этих теоретических работ выполнена американцами, за что они получали Нобелевские премии. У нас никогда не было такого оборудования, таких телескопов, как в США.

Главные места обитания астрономов:

• Государственный институт им. П.К.Штернберга (ГАИШ МГУ)
• Институт космических исследований
• Институт астрономии и Физический институт АН России
• Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория
• Специальная астрофизическая обсерватория АН России (Северный Кавказ)

Основные разделы астрономии:

1.1.5 Телескопы

Чтобы исследования были точными, необходимы специальные инструменты, приборы.

1). Установлено, Фалес Милетский в 595 г. до н.э. впервые использовал гномон (древнейший астрономический инструмент, вертикальный предмет (стержень обелиск, колонна, шест), позволяющий по наименьшей длине его тени (в полдень) определить угловую высоту Солнца. Это позволило использовать этот инструмент и как солнечные часы, и определить этапы солнцестояния, равноденствия, продолжительность года, широту наблюдателя и многое другое.

2). Гиппарх (180-125г, Др. Греция) использовал астролябию, что позволило ему измерить параллакс Луны, в 129г до н.э., установить продолжительность года в 365,25сут, определить процессию и составить в 130г до н.э. звездный каталог на 1008 звезд и т.д.

В различное время существовали и астрономический посох и астролабон (это первая разновидность теодолита), квадрант и многие друге приборы и инструменты. Наблюдения за небесными телами и объектами проводятся в специальных учреждениях - обсерваториях, которые возникли в самом начале развития астрономии до н. э.

Для возможных исследований и наблюдений в разных странах были созданы астрономические обсерватории. В нашей стране их порядка двух десятков: Главная Пулковская астрономическая обсерватория РАН (ГАО РАН), Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга (ГАИШ), Кавказская горная обсерватория (КГО ГАИШ) и пр.

Настоящее астрономическое исследование началось, когда в 1609 г. изобрели телескоп .

Переворот в астрономии произошёл в 1608 году, после того как голландский мастер по изготовлению очков Иоанн Липперсгей обнаружил, что две линзы, расположенные на одной прямой, могут увеличивать предметы. Так была изобретена зрительная труба.

Этой идеей сразу же воспользовался Галилей. В 1609 году он сконструировал свою первую зрительную трубу с трёхкратным увеличением и направил её в небо. Так зрительная труба превратилась в телескоп.

Телескоп стал основным прибором, который используется в астрономии для наблюдения небесных тел, приема и анализа приходящего от них излучения. Слово это происходит от двух греческих слов: tele – далеко и skopeo – смотрю.

Телескоп - оптический прибор, увеличивает угол зрения, под которым видны небесные тела (разрешающая способность ), и собирает во много раз больше света, чем глаз наблюдателя (проникающая сила ).

Телескоп применяют, во-первых, для того, чтобы собрать как можно больше света, идущего от исследуемого объекта, а во-вторых, чтобы обеспечить возможность изучать его мелкие детали, недоступные невооруженному глазу. Чем более слабые объекты дает возможность увидеть телескоп, тем больше его проницающая сила. Возможность различать мелкие детали характеризует разрешающую способность телескопа. Обе эти характеристики телескопа зависят от диаметра его объектива.

Количество света, собираемого объективом, возрастает пропорционально его площади (квадрату диаметра) . Диаметр зрачка человеческого глаза даже в полной темноте не превышает 8 мм. Объектив телескопа может превышать по диаметру зрачок глаза в десятки и сотни раз. Это позволяет с помощью телескопа обнаружить звезды и другие объекты, которые в 100 млн. раз слабее объектов, видимых невооруженным глазом.

Принцип работы телескопа:

Параллельные лучи света (например, от звезды) падают на объектив. Объектив строит изображение в фокальной плоскости. Лучи света, параллельные главной оптической оси, собираются в фокусе F, лежащем на этой оси. Другие пучки света собираются вблизи фокуса – выше или ниже. Это изображение с помощью окуляра рассматривает наблюдатель.

Как известно, если предмет находится дальше двойного фокусного расстояния, она дает уменьшенное, перевернутое и действительное его изображение. Это изображение располагается между точками фокуса и двойного фокуса линзы. Расстояния до Луны, планет, а тем более звезд так велики, что лучи, приходящие от них, можно считать параллельными. Следовательно, изображение объекта будет располагаться в фокальной плоскости .

Диаметры входного и выходного пучков сильно различаются (входной имеет диаметр объектива, а выходной – диаметр изображения объектива, построенного окуляром). В правильно настроенном телескопе весь свет, собранный объективом, попадает в зрачок наблюдателя. При этом выигрыш пропорционален квадрату отношения диаметров объектива и зрачка. Для крупных телескопов эта величина составляет десятки тысяч раз. Так решается одна из основных задач телескопа – собрать больше света от наблюдаемых объектов. Если речь идет о фотографическом телескопе – астрографе, то в нем увеличивается освещенность фотопластинки.

Основные характеристики телескопов .

1) Апертура телескопа (D) - это диаметр главного зеркала телескопа или его собирающей линзы .

Чем больше апертура , тем больше света соберёт объектив и тем более слабые объекты вы увидите.

2) Фокусное расстояние телескопа - это расстояние, на котором зеркало или линза объектива строит изображение бесконечно удаленного объект.

Обычно имеется ввиду фокусное расстояние объектива (F), поскольку окуляры сменные, и у каждого из них фокусное расстояние своё.

От фокусного расстояния зависит не только увеличение, но и качество изображения. Чем больше фокусное расстояние , тем качественнее изображение. От фокусного расстояния телескопа зависит и его длина, особенно рефлекторов Ньютона и рефракторов.

3) Увеличение (или кратность) телескопа (W) показывает, во сколько раз телескоп может увеличить объект или угол, под которым наблюдатель видит объект . Оно равно отношению фокусных расстояний объектива F и окуляра f.

Телескоп увеличивает видимые угловые размеры Солнца, Луны, планет и деталей на них, но звезды из-за их колоссальной удаленности все равно видны в телескоп, как светящиеся точки.

F вы изменить чаще всего не можете, но имея окуляры с разным f, вы сможете менять кратность или увеличение телескопа Г. Имея сменные окуляры, можно с одним и тем же объективом получать различное увеличение. Поэтому возможности телескопа в астрономии принято характеризовать не увеличением, а диаметром его объектива . В астрономии, как правило, используют увеличения менее 500 раз. Применять большие увеличения мешает атмосфера Земли. Движение воздуха, незаметное невооруженным глазом (или при малых увеличениях), приводит к тому, что мелкие детали изображения становятся нерезкими, размытыми. Астрономические обсерватории, на которых используются крупные телескопы с диаметром зеркала 2–3 м, стараются разместить в районах с хорошим астроклиматом: большим количеством ясных дней и ночей, с высокой прозрачностью атмосферы.

4) Разрешающая способность – минимальный угол между двумя звездами, видимыми раздельно . Проще говоря, под разрешающей способностью можно понимать "чёткость" изображения.

Разрешающая способность можно вычислить по формуле:

где δ – угловое разрешение в секундах, D

Расстояние между объектами на небе в астрономии измеряются углом , который образовывается лучами, проведенными из точки, в которой находится наблюдатель к объектам . Это расстояние называют угловым , и выражают в градусах и долях градуса:

градусы – 5 о, минуты – 13", секунды – 21"

Человеческий глаз без специальных приборов различает 2 звезды отдельно друг от друга, если их угловое расстояние не менее 1-2". Телескоп позволяет уменьшить этот предел в несколько раз. В самые крупные телескопы можно видеть раздельные звезды, угловые расстояния которых могут составлять сотые и тысячные доли.

Угол, под которым мы видим диаметр Солнца и Луны ~ 0,5 о = 30".

Ограничение на предельное увеличение накладывает явление дифракции – огибание световыми волнами краев объектива. Из-за дифракции вместо изображения точки получаются кольца. Угловой размер центрального пятна (теоретическое угловое разрешение ):

где δ – угловое разрешение в секундах, λ - длина волны излучения, D – диаметр объектива в миллиметрах.

Чем меньше размер изображения светящейся точки (звезды), которое дает объектив телескопа, тем лучше его разрешающая способность. Если расстояние между изображениями двух звезд меньше размера самого изображения, то они сливаются в одно. Минимальный размер изображения звезды (в секундах дуги) можно рассчитать по формуле:

Где λ – длина световой волны, a D – диаметр объектива. У школьного телескопа, диаметр объектива которого составляет 60 мм, теоретическая разрешающая способность будет равна примерно 2Ѕ . Напомним, что это превышает разрешающую способность невооруженного глаза (2") в 60 раз. Реальная разрешающая способность телескопа будет меньше, поскольку на качество изображения существенно влияет состояние атмосферы, движение воздуха.

Для видимых длин волн при λ = 550 нм на телескопе с диаметром D = 1 м теоретическое угловое разрешение будет равно δ = 0,1". Практически угловое разрешение больших телескопов ограничивается атмосферным дрожанием. При фотографических наблюдениях разрешающая способность всегда ограничена земной атмосферой и погрешностями гидирования и не бывает лучше 0,3". При наблюдениях глазом из-за того, что можно попытаться поймать момент, когда атмосфера относительно спокойна (достаточно нескольких секунд), разрешающая способность у телескопов с диаметром D , большим 2 м, может быть близка к теоретической. Хорошим считается телескоп, собирающий более 50 % излучения в кружке 0,5".

Пути повышения разрешающей способности телескопа:

1) увеличение диаметра телескопа

2) уменьшение длины волны изучаемого излучения

5) Проницающая сила телескоп а характеризуется предельной звездной величиной m самой слабой звезды, которую можно увидеть в данный инструмент при наилучших условиях наблюдений . Для таких условий проницающую силу можно определить по формуле:

m = 2,1 + 5 lg D

где D – диаметр объектива в миллиметрах, m - предельная звездная величина.

6) Относительное отверстие – отношение диаметра D к фокусному расстоянию F :

У телескопов для визуальных наблюдений типичное значение относительного отверстия 1/10 и меньше. У современных телескопов она равна 1/4 и больше.

7) Часто вместо относительного отверстия используется понятие светосилы , равной (D /F ) 2 . Светосила характеризует освещенность, создаваемую объективом в фокальной плоскости .

8) Относительным фокусным расстоянием телескопа (обозначается перевернутой буквой А) называется величина, обратная относительному отверстию:

В фотографии эта величина часто называется диафрагмой .

Относительное отверстие и относительное фокусное расстояним являются важными характеристиками объектива телескопа. Это обратные друг другу величины. Чем больше относительное отверстие, тем меньше относительное фокусное расстояние и тем больше освещённость в фокальной плоскости объектива телескопа, что выгодно при фотоработах (позволяет уменьшить выдержку при сохранении экспозиции). Но при этом на кадре фотоприёмника получается меньший масштаб изображения.

Построим изображение Луны, которое дает объектив с фокусным расстоянием F (рис. 1.6). Из рисунка видно, что угловых размеров наблюдаемого объекта – угол α – объектив не изменяет. Воспользуемся теперь еще одной линзой – окуляром 2, поместив ее от изображения Луны (точка F 1) на расстоянии, равном фокусному расстоянию этой линзы – f , в точку F 2 . Фокусное расстояние окуляра должно быть меньше, чем фокусное расстояние объектива. Построив изображение, которое дает окуляр, мы убедимся, что он увеличивает угловые размеры Луны: угол β заметно больше угла α.

Виды телескопов:

1. Оптические телескопы
   1. Рефрактор.
   2. Рефлектор.
   3. Зеркально – линзовый.

Если в качестве объектива телескопа используется линза, то он называется рефрактор (от латинского слова refracto – преломляю), а если вогнутое зеркало, – то рефлектор (reflecto – отражаю). В зеркально-линзовых телескопах используется комбинация зеркала и линз.

Телескоп – рефрактор использует преломление света . Лучи, которые идут от небесных светил собираются линзой или системой линз.

Главная часть простейшего рефрактора – объектив – двояковыпуклая линза, установленная в передней части телескопа. Объектив собирает излучение. Чем больше размеры объектива D , тем больше собирает излучения телескоп, тем более слабые источники могут быть обнаружены им. Чтобы избежать хроматической аберрации, линзовые объективы делают составными. Однако в случаях, когда требуется свести к минимуму рассеяние в системе, приходится использовать и одиночную линзу. Расстояние от объектива до главного фокуса называется главным фокусным расстоянием F .

Телескоп – рефлектор использует отражение света. В них используют вогнутое зеркало, способное фокусировать отраженные лучи.

Основным элементом рефлектора является зеркало – отражающая поверхность сферической, параболической или гиперболической формы. Обычно оно делается из стеклянной или кварцевой заготовки круглой формы и затем покрывается отражающим покрытием (тонкий слой серебра или алюминия). Точность изготовления поверхности зеркала, т.е. максимально допустимые отклонения от заданной формы, зависит от длины волны света, на которой будет работать зеркало. Точность должна быть лучше, чем λ/8. К примеру, зеркало, работающее в видимом свете (длина волны λ = 0,5 микрона), должно быть изготовлено с точностью 0,06 мкм (0,00006 мм).

Обращенная к глазу наблюдателя оптическая система называется окуляром . В простейшем случае окуляр может состоять только из одной положительной линзы (в этом случае мы получим сильно искаженное хроматической аберрацией изображение).

Помимо рефракторов и рефлекторов в настоящее время используются различные типы зеркально-линзовых телескопов .

Школьные телескопы по большей части являются рефракторами, их объективом, как правило, служит двояковыпуклая собирающая линза.

В нынешних обсерваториях мы можем увидеть крупные оптические телескопы. Крупнейший в России телескоп-рефлектор, который имеет зеркало диаметром 6 м, сконструирован и построен Ленинградским оптико-механическим объединением. Он называется «Большой телескоп азимутальный» (сокращённо БТА).

Его огромное вогнутое зеркало, которое имеет массу около 40 т, отшлифовано с точностью до долей микрометра. Фокусное расстояние зеркала 24 м. Масса всей установки телескопа более 850 т, а высота 42 м. Управление телескопом осуществляется с помощью компьютера, который позволяет точно навести телескоп на изучаемый объект и длительное время удерживать его в поле зрения, плавно поворачивая телескоп вслед за вращением Земли. Телескоп входит в состав Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук и установлен на Северном Кавказе (близ станицы Зеленчукская в Карачаево-Черкесской Республике) на высоте 2100 м над уровнем моря.

В настоящее время появилась возможность использовать в наземных телескопах не монолитные зеркала, а зеркала, состоящие из отдельных фрагментов. Уже построены и работают два телескопа, каждый из которых имеет объектив диаметром 10 м , состоящий из 36 отдельных зеркал шестиугольной формы. Управляя этими зеркалами с помощью компьютера, можно всегда расположить их так, чтобы все они собирали свет от наблюдаемого объекта в едином фокусе. Предполагается создать телескоп с составным зеркалом диаметром 32 м, работающим по тому же принципу.

Телескопы бывают самыми разными - оптические (общего астрофизического назначения, коронографы, телескопы для наблюдения ИСЗ), радиотелескопы, инфракрасные, нейтринные, рентгеновские. При всем своем многообразии, все телескопы, принимающие электромагнитное излучение, решают две основных задачи :

• создать максимально резкое изображение и, при визуальных наблюдениях, увеличить угловые расстояния между объектами (звездами, галактиками и т. п.);
• собрать как можно больше энергии излучения, увеличить освещенность изображения объектов .

Современные телескопы часто используются для того, чтобы сфотографировать изображение, которое дает объектив. Именно так получены те фотографии Солнца, галактик и других объектов, которые вы увидите на страницах учебника, в популярных книгах и журналах, на сайтах в интернете. Телескопы, приспособленные для фотографирования небесных объектов, называются астрографами. Фотографические наблюдения имеют ряд преимуществ перед визуальными. К основным преимуществам относятся:

1. документальность – способность фиксировать происходящие явления и процессы, и долгое время сохранять полученную информацию;
2. моментальность – способность регистрировать кратковременные явления, происходящие в данный момент;
3. панорамность – способность запечатлевать на фотопластинке одновременно несколько объектов и их взаимное расположение;
4. интегральность – способность накапливать свет от слабых источников; детальность получаемого изображения.

С помощью телескопов производятся не толь визуальные и фотографические наблюдения, но преимущественно высокочастотные фотоэлектрические и спектральные наблюдения. Сведения о температуре, химическом составе, магнитных полях небесных тел, а также об их движении получают из спектральных наблюдений. Кроме света, небесные тела излучают электромагнитные волны большей длины волны, чем свет (инфракрасное излучение, радиоволны), или меньшей (УФ, рентгеновское излучение и гамма лучи).

Изучение Вселенной началось и продолжается в течение нескольких тысячелетий, но вплоть до середины прошлого века исследования были исключительно в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Поэтому доступной областью излучения был диапазон от 400 до 700 нм. Первые астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими, изучалось только расположение планет, звёзд и их видимое движение на небесной сфере.

Но небесные тела дают различное излучение: видимый свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, радиоволны, рентгеновское, гамма – излучения. В XX веке астрономия стала всеволновой . Астрономию называют всеволновой , поскольку наблюдения за объектами ведутся не только в оптическом диапазоне. В настоящее время излучение от космических объектов регистрируется во всем диапазоне электромагнитного спектра от длинноволнового радиоизлучения (частота 10 7 , длина волны l = 30 м) до гамма-излучения (частота 10 27 Гц, длина волны l = 3∙10 –19 ×м = 3∙10 –10 нм). Для этой цели используются различные приборы, каждый из которых способен принимать излучение в определенном диапазоне электромагнитных волн: инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма- и радиоизлучение.

Для приема и анализа оптического и других видов излучения в современной астрономии используется весь арсенал достижений физики и техники – фотоумножители, электронно-оптические преобразователи и др. В настоящее время наиболее чувствительными приемниками света являются приборы с зарядовой связью (ПЗС), позволяющие регистрировать отдельные кванты света. Они представляют собой сложную систему полупроводников (полупроводниковые матрицы), в которых используется внутренний фотоэффект. В этом и в других случаях полученные данные можно воспроизвести на дисплее компьютера или представить для обработки и анализа в цифровой форме.

Наблюдения в других спектральных диапазонах позволили сделать важные открытия. Сначала были изобретены радиотелескопы . Радиоизлучение из космоса достигает поверхности Земли без значительного поглощения. Для его приема построены самые крупные астрономические инструменты – радиотелескопы.

Их металлические зеркала-антенны, которые достигают в диаметре нескольких десятков метров, отражают радиоволны и собирают их подобно оптическому телескопу-рефлектору. Для регистрации радиоизлучения используются особые чувствительные радиоприемники. Любой радиотелескоп по принципу своего действия похож на оптический: он собирает излучение и фокусирует его на детекторе, настроенном на выбранную длину волны, а затем преобразует этот сигнал, показывая условно раскрашенное изображение неба или объекта.

Так, радиоволны принесли информацию о наличии крупных молекул в холодных молекулярных облаках, об активных галактиках, о строении ядер галактик, в том числе и нашей Галактики, тогда как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается космической пылью.

Чтобы существенно улучшить угловое разрешение, в радиоастрономии используют радиоинтерферометры . Простейший радиоинтерферометр состоит из двух радиотелескопов, разнесенных на расстояние, называемое базой интерферометра . Радиотелескопы, находящиеся в разных странах и даже на разных континентах, также могут соединяться в единую систему наблюдений. Такие системы получили название радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (РСДБ). Такие системы дают максимально возможное угловое разрешение, в несколько тысяч раз лучше, чем у любого оптического телескопа.

Наша Земля надежно защищена атмосферой от проникающего жесткого электромагнитного излучения, от инфракрасного излучения. Так как атмосфера мешает прониканию лучей к земле c λ< λ света (ультрафиолетовые, рентгеновские, γ - излучения), то последнее время на орбиту Земли выводятся телескопы и целые орбитальные обсерватории: (т.е развиваются внеатмосферные наблюдения). Т.е. современные инфракрасные, рентгеновские и гамма обсерватории вынесены за пределы земной атмосферы.

Приборы для исследования остальных видов излучения обычно тоже называют телескопами, хотя по своему устройству они порой значительно отличаются от оптических телескопов. Как правило, они устанавливаются на искусственных спутниках, орбитальных станциях и других космических аппаратах, поскольку сквозь земную атмосферу эти излучения практически не проникают. Она их рассеивает и поглощает.

Даже оптические телескопы, находящиеся на орбите, имеют определенные преимущества по сравнению с наземными. Наиболее крупному из них космическому телескопу им. Хаббла , созданному в США, с зеркалом диаметром 2,4 м доступны объекты, которые в 10–15 раз слабее, чем такому же телескопу на Земле. Его разрешающая способность составляет 0,1Ѕ, что недостижимо даже для более крупных наземных телескопов. На снимках туманностей и других далеких объектов видны мелкие детали, неразличимые при наблюдениях с Земли.

1.1.6 Рассмотрим более подробно телескопы по их видам.

1) Рефрактор (refracto–преломляю) - используется преломление света в линзе (преломляющий) .

Первым телескопом был телескоп-рефрактор с одиночной линзой в качестве объектива. "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.

В наше время рефракторы с одиночной линзой применяются, пожалуй, только в коронографах и некоторых спектральных приборах. Все современные рефракторы снабжены ахроматическими объективами. Самый большой в мире рефрактор - телескоп Йеркской обсерватории (США) с объективом 1м. Изготовлен Альваном Кларк (оптиком из США). Его объектив 102см (40 дюймов) и установлен он в 1897г в Йеркской обсерватории (вблизи Чикаго). Он построен в конце прошлого века, и с тех пор профессионалы не строят гигантские рефракторы. Кларк изготовил еще 30 дюймовый рефрактор, который был установлен в 1885г в Пулковской обсерватории и разрушен в годы ВОВ.

40-дюймовый телескоп-рефрактор Йеркской обсерватории. Снимок 2006 года (Википедия)

б) Рефлектор (reflecto–отражаю)- используется вогнутое зеркало, фокусирующее лучи .

Рефлектор Ньютона.

В 1667г первый зеркальный телескоп изобрел И. Ньютон (1643-1727, Англия) диаметр зеркала 2,5см при 41 х увеличении. Здесь плоское диагональное зеркало, расположенное вблизи фокуса, отклоняет пучок света за пределы трубы, где изображение рассматривается через окуляр или фотографируется. Главное зеркало параболическое, но если относительное отверстие не слишком большое, оно может быть и сферическим. 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).

Обсерватория Кека

Сегментированное основное зеркало телескопа «Кек II»

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 24 м). Специальная астрофизическая обсерватория Академии наук СССР была образована в 1966 году через 6 лет после решения Правительства о создании крупнейшей обсерватории страны для фундаментальных исследований космоса. Обсерватория создавалась как центр коллективного пользования для обеспечения работы оптического телескопа БТА (Большой Телескоп Азимутальный) с диаметром зеркала 6 метров и радиотелескопа РАТАН-600 с диаметром кольцевой антенны 600 метров, тогда крупнейших в мире астрономических инструментов. Они были введены в строй в 1975-1977 годах и предназначены для изучения объектов ближнего и дальнего космоса методами наземной астрономии.

Башня БТА

в) Зеркально – линзовый. (камера Шмидта) - комбинация обеих видов.

Телескоп Шмидта-Кассегрена. Большой светосилы, свободный от комы (коматической аберрации) и с большим полем зрения.

Первый построил в 1930г. Б.В. Шмидт (1879-1935, Эстония) с диаметром объектива 44 см Эстонский оптик, сотрудник Гамбургской обсерватории Барнхард Шмидт установил в центре кривизны сферического зеркала диафрагму, сразу устранив и кому (коматическую аберрацию) и астигматизм. Для устранения сферической абберации он разместил в диафрагме линзу специальной формы. В результате получилась фотографическая камера с единственной абберацией - кривизной поля и удивительными качествами: чем больше светосила камеры, тем лучше изображения, которые она дает, и больше поле зрения!

В 1946г. Джеймс Бэкер установил в камере Шмидта выпуклое вторичное зеркало и получил плоское поле. Несколько позже эта система была видоизменена и стала одной из самых совершенных систем: Шмидта-Кассегрена, которыя на поле диаметром 2 градуса дает дифракционное качество изображения.

Телескоп Шмидта - Кассегрена

В 1941 году Д.Д. Максутов (СССР) сделал менисковый телескоп, который выгоден короткой трубой. Применяется любителями – астрономами.

Телескоп Максутова-Кассегрена.

В 1941г. Д. Д. Максутов нашел, что сферическую аберрацию сферического зеркала можно компенсировать мениском большой кривизны. Найдя удачное расстояние между мениском и зеркалом, Максутов сумел избавиться от комы и астигматизма. Кривизну поля, как и в камере Шмидта, можно устранить, установив вблизи фокальной плоскости плоско-выпуклую линзу - так называемую линзу Пиацци-Смита. Проалюминировав центральную часть мениска, Максутов получил менисковые аналоги телескопов Кассегрена и Грегори. Были предложены менисковые аналоги практически всех интересных для астрономов телескопов

Телескоп Максутова - Кассегрена диаметром 150 мм

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)

2. - 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.

Особое значение в наш космический век придается орбитальным обсерваториям . Наиболее известная из них – космический телескоп им. Хаббла – запущен в апреле 1990 года и имеет диаметр 2,4 м. После установки в 1993 году корректирующего блока телескоп регистрирует объекты вплоть до 30-й звездной величины, а его угловое увеличение – лучше 0,1" (под таким углом видна горошина с расстояния в несколько десятков километров).

Принципиальная схема телескопа им. Хаббла

l. Закрепление материала .

1. Какие сведения астрономические вы изучали в курсах других предметов? (природоведение, физики, истории и т.д.)
2. Что нового узнали?
3. Что такое астрономия? Особенности астрономии и т.д.
4. В чем специфика астрономии по сравнению с другими науками о природе?
5. Какие типы небесных тел вам известны?
6. Каковы объекты познания в астрономии?
7. Какие методы и инструменты познания в астрономии Вам известны?
8. Назначение телескопа и его виды
9. Какое значение в народном хозяйстве имеет сегодня астрономия?

Значения в народном хозяйстве:

• - Ориентирование по звездам для определения сторон горизонта
• - Навигация (мореходство, авиация, космонавтика) - искусство прокладывать путь по звездам
• - Исследование Вселенной с целью понять прошлое и спрогнозировать будущее
• - Космонавтика:
• - Исследование Земли с целью сохранения ее уникальной природы
• - Получение материалов, которые невозможно получение в земных условиях
• - Прогноз погоды и предсказание стихийных бедствий
• - Спасение терпящих бедствие судов
• - Исследования других планет для прогнозирования развития Земли

1. Посмотреть Календарь Наблюдателя, пример астрономического журнала (электронного, например Небосвод).
2. В Интернете зайти на , найти лекции по астрономии, посмотреть астроссылки Астротоп , портал:Астрономия в Википедии , - используя которые можно получить информации по интересующему вопросу или найти её.

Астрономия - наука о Вселенной. Она изучает движение и природу Солнца, Луны, планет, звезд, галактик и других небесных тел. Большинство астрономических объектов располагается за пределами Земли, но и саму Землю астрономия изучает как планету. В своей работе астрономы используют методы математики , физики и химии . До 1958 г. астрономия была чисто наблюдательной наукой, изучавшей свои объекты издалека в телескоп. Но с появлением космических аппаратов астрономы получили возможность посылать приборы к планетам и их спутникам, к кометам и астероидам для прямого изучения их атмосферы и поверхности. Так астрономия стала экспериментальной наукой.

Астрономия - одна из древнейших наук. В давние времена люди наблюдали перемещения небесных светил, чтобы измерять время, предсказывать наступление сезонов полевых работ, для ориентировки на суше и на море, для предсказания затмений и для ритуальных целей. До сих пор астрономия применяется для практических целей, таких как измерение времени, навигация, геодезия , причем методы и точность практической астрономии постоянно улучшаются.

Практическими задачами в основном занимаются национальные обсерватории и крупные астрономические институты, такие как Главная астрономическая (Пулковская) обсерватория РАН и Институт прикладной астрономии РАН в Санкт-Петербурге, Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга в Москве, Морская обсерватория США в Вашингтоне, Королевская Гринвичская обсерватория в Кембридже (Англия). Большинство же астрономов на других обсерваториях занято изучением различных объектов Вселенной.

Помимо профессиональных астрономов, работающих на крупных и хорошо оснащенных государственных и университетских обсерваториях, в мире насчитываются сотни любительских обсерваторий, на которых энтузиасты в свободное время проводят самостоятельные наблюдения, нередко имеющие научную ценность. В основном это наблюдения переменных звезд, комет и метеоров, солнечных пятен и вспышек, полярных сияний и серебристых облаков, а также редких явлений на поверхности Луны и планет.

Астрономия и объекты ее исследования

Астрономические исследования можно разделить на четыре важнейших направления: Солнечная система, звезды, межзвездное вещество и галактики.

Исследование Солнечной системы

Солнечная система состоит из звезды, которую мы называем Солнцем, и множества более мелких тел, обращающихся вокруг нее. Среди них 8 больших планет с их естественными спутниками, которых уже известно более 160 (см. Планеты Солнечной системы). Кроме того, вокруг Солнца движутся сотни тысяч малых тел - астероидов и комет, а также метеорные потоки, состоящие из частиц разрушенных астероидов и комет. В порядке удаления от Солнца большие планеты называются Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Первые две называют внутренними планетами, поскольку их орбиты лежат внутри орбиты Земли, а пять более далеких, чем Земля, называют внешними планетами. Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн видны невооруженным глазом и потому были известны в древности; их называли «блуждающими звездами», поскольку они перемещаются на фоне далеких «неподвижных» звезд.

Движения планет помогают специалистам по понять законы взаимодействия тел и проверить фундаментальные физические теории, такие как теория относительности. Высочайшая точность небесной механики служит основой успеха космонавтики: только безошибочные расчеты влияния Солнца и планет на полет космического аппарата позволяет ему точно достигнуть своей цели в любой части Солнечной системы.

Специалисты по Солнцу изучают различные физические явления на его поверхности и в недрах, включая термоядерные реакции и другие высокотемпературные процессы. Они исследуют излучение Солнца и его влияние на земную атмосферу и биосферу . Солнце находится под постоянным наблюдением наземных и космических обсерваторий. Подробное изучение Солнца позволяет многое понять и в природе других звезд, слишком далеких от нас для детального изучения.

В исследовании Луны произошел гигантский прогресс с наступлением космической эры. Неизвестная прежде обратная сторона Луны впервые была сфотографирована советским аппаратом «Луна-3» в 1959 г. Американские аппараты «Рейнджер» в 1964-65 гг. передали изображения поверхности Луны с близкого расстояния, а в 1966-68 гг. на Луну мягко опустились автоматические станции «Луна-9», «Сервейер-5, -6 и -7» и определили прочность и состав ее грунта. В 1969-72 гг. совершили экспедиции на Луну экипажи американских «Аполлонов» и советские автоматические аппараты (1970-76 гг.), доставив на Землю для изучения сотни килограммов лунного грунта. Активные исследования Луны с помощью беспилотных аппаратов возобновились в середине 1990-х: США, Западная Европа, Япония, Китай, Индия в кооперации с учеными других стран, включая Россию, отправили к Луне орбитальные зонды, по данным которых были составлены качественные геологические и минералогические карты поверхности и найдены признаки воды. Теперь астрономам известны детальные физические и химические характеристики лунных пород и их возраст. Лишенная атмосферы и вулканов маленькая Луна за время своей эволюции изменилась гораздо меньше Земли, поэтому она «хранит ключи» ко многим тайнам происхождения Солнечной системы.

Такими же полезными для изучения истории Солнечной системы являются метеориты, возраст которых радиоизотопным методом оценивается в 4,5 млрд лет. Кометы тоже образовались в период молодости Солнечной системы и несут в себе ее первичное вещество. Астрономы уже проводят прямое изучение комет с помощью космических аппаратов; к тому же, некоторую информацию о них дают и метеоры, образующиеся при сгорании в атмосфере Земли мелких частиц, потерянных кометами при их сближении с Солнцем.

Исследования звезд

Древние люди считали звезды неподвижно прикрепленными с огромной небесной сфере, окружающей Землю и вращающейся вокруг нее. Характерным группам ярких звезд - созвездиям, они давали названия бытовых предметов, мифических героев и животных. Астрономы установили, что звезды - это гигантские газовые шары, подобные Солнцу. Они сияют постоянно, но днем не видны из-за яркого солнечного света, рассеянного в земной атмосфере.

Звезды различаются по своему расстоянию от Земли, по массе, светимости (т. е. мощности излучения), температуре, химическому составу, возрасту и скорости движения. Но как бы быстро они ни двигались, из-за большой удаленности звезды кажутся нам почти неподвижными и представляют почти идеальную систему отсчета, относительно которой удобно изучать движение тел Солнечной системы.

Расстояния до ближайших звезд измеряют методом триангуляции, используя в качестве базы диаметр орбиты Земли; а расстояния до далеких звезд определяют путем сравнения их видимой яркости с истинной светимостью, которую можно оценить по виду спектра звезды. Наблюдая спектры звезд, можно заметить, что у некоторых звезд спектральные линии периодически смещаются или раздваиваются. Это означает, что в действительности звезда двойная и линии смещаются из-за эффекта Доплера, связанного с движением звезд вокруг общего центра масс. Не менее половины всех звезд двойные. У некоторых близких звезд удалось выявить таким методом присутствие совсем небольших спутников, по массе близких к планетам (это так называемые коричневые карлики) и даже равных планетам (их называют экзопланетами). А раз помимо Солнечной системы существуют и другие планетные системы, то почему бы на тех планетах не быть жизни, в том числе и разумной? Для проверки этой идеи радиоастрономы уже более полувека пытаются принять сигналы разумных существ с планет у ближайших звезд и сами посылают такие сигналы в космос.

На каждой из звезд происходят грандиозные физические процессы, которые пока невозможно воспроизвести на Земле. При этом каждая звезда отделена от нас не только пространством, но и временем, необходимом свету, чтобы достичь Земли. Поэтому перед астрономами разворачивается панорама космических событий, уходящих в глубины прошлого на миллионы и даже миллиарды лет.

Исследование межзвездного вещества

Пространство между звездами не совсем пустое: оно заполнено разреженным газом и пылью. Особенно много межзвездного вещества в диске Галактики, а ее спиральных рукавах. В некоторых местах это вещество сконцентрировано в облака, которые могут светиться, если рядом находится горячая звезда; пример - известная Туманность Ориона, которую можно заметить невооруженным глазом чуть ниже Пояса Ориона. В наиболее массивных и холодных облаках вещество сжимается под действием собственной гравитации и из него формируются новые звезды. Эти облака столь плотны, что не пропускают свет звезд; заглянуть в их недра можно только с помощью инфракрасных и радиотелескопов. Прослеживая радиоизлучение межзвездного газа, астрономы узнали расположение спиральных рукавов нашей Галактики.

Исследование галактик

За пределами нашей Галактики существует великое множество других галактик. В ближайших из них с помощью крупных телескопов можно изучать отдельные звезды. По всем параметрам эти звезды очень похожи на те, что окружают нас, хотя сами галактики чрезвычайно разнообразны по форме, размеру и массе. Доплеровское смещение линий в спектрах галактик показывает, что они удаляются от нас, причем тем быстрее, чем дальше расположены.

С помощью радиотелескопов изучается межзвездный газ в далеких галактиках и высокоэнергичные частицы, движущиеся в их магнитных полях. Большой интерес у астрономов вызывают галактики с активными ядрами, особенно квазары, расположенные в ядрах массивных галактик. Источник их колоссальной энергии до сих пор вызывает споры.

Заря астрономии

Древняя астрономия

Необходимость в простых правилах, связывающих между собой исчисление времени по луне и солнцу, стимулировала развитие научной астрономии вавилонскими жрецами в последние три века до нашей эры. На основе своих наблюдений они составили детальные таблицы (эфемериды) для предсказания важнейших явлений солнца, луны и планет. Они приняли, что эти светила движутся по кругу, позже названному греками Зодиаком, и разделили его на 12 равных «знаков». Вавилоняне представляли мир как земляной диск на твердом основании, окруженный океанским рвом; а ниже была бездна и жилище смерти.

Греческая астрономия

Традиция научной астрономии восходит к древним грекам, объединившим наблюдения вавилонских звездочетов с естествознанием и . Пифагор (6 в. до н.э.) и его школа представляли Землю в виде сферы и учили, что пути небесных светил можно представить как равномерное круговое движение вокруг Земли. Это учение, математически оформленное Евдоксом Книдским (4 в. до н.э.), было развито Аристотелем (384-322 до н.э.) в космологическую систему, просуществовавшую почти без изменений вплоть до 16-го века.

В противовес этим взглядам Гераклид Понтийский (4 в. до н.э.) считал, что Земля вращается вокруг оси, а Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца, которое само движется вокруг Земли. Еще ближе к современной гелиоцентрической системе мира подошел Аристарх Самосский (3 в. до н.э.), учивший, что Земли вместе с другими планетами обращается вокруг Солнца. Геоцентрическая система, разработанная в период эллинизма Гиппархом (2 в. до н.э.), была завершена Птолемеем (2 в.) в его «Альмагесте». Этот классический труд служил основным пособием по астрономии в течение 1400 лет. В нем содержится старейший звездный каталог, описаны угломерные инструменты той эпохи и открытая Гиппархом прецессия, изложена эпициклическая теория движения Луны и планет, употреблявшаяся вплоть до 17-го столетия. Согласно этой теории планеты равномерно обращаются по окружностям (эпициклам), центры которых, в свою очередь, обращаются вокруг Земли по окружностям большего диаметра (деферентам), причем плоскости тех и других не совпадают. Теория Птолемея позволила с хорошей точностью описать не только видимые пути планет на фоне звезд, но и вариации их яркости, связанные с изменением расстояния от Земли. Дальнейшее уточнение этой схемы потребовало введения дополнительных эпициклов и смещения точек вращения (эквантов) относительно центров окружностей. Таблицы движения светил, вычисленные по теории Птолемея, долгие годы удовлетворяли практические потребности людей.

Исламский период

После распада древней культуры путь греческой науки в христианский мир Средневековья пролег через исламскую цивилизацию. Арабы впитали традиции эллинизма на землях, захваченных ими в 7-ом веке. Багдад стал центром перевода на арабский греческой научной классики, включая «Альмагест» Птолемея. Затем через Каир эти труды достигли мусульманских университетов Испании. Сохранив основные принципы греческой астрономии, арабские ученые развили технику наблюдений и повысили точность вычисления планетных таблиц. В 12-м веке труды Аристотеля и Птолемея (в переводе с арабского на латинский) вновь стали доступны выходящему из застоя христианскому миру, а в 15-м веке обнаружились и греческие тексты классических трудов. Иоганн Мюллер (1436-1476) из Нюрнберга, известный как Региомонтан, возродил технику астрономических наблюдений.

Рождение современной астрономии

Система Коперника

Современную эру в астрономии открыл Николай Коперник (1473-1543), опубликовавший в 1543 свой труд «О вращениях небесных сфер». Он предположил, что в центре Вселенной находится Солнце, а все планеты, включая Землю, обращаются вокруг него. Суточное движение светил Коперник объяснял вращением Земли. Хотя физических доказательств этой гипотезы в то время еще не было, она существенно упрощала расчет планетных таблиц и была принята в практической астрономии. Но церковь отнеслась к ней недоброжелательно, опасаясь разрушения своей геоцентрической картины мира.

Для составления планетных таблиц, необходимых, прежде всего, мореплавателям, требовались непрерывные и точные наблюдения. Большой вклад в это внес выдающийся астроном 16-го века Тихо Браге (1546-1601). Более 20 лет в своей обсерватории на острове Вен в Зундском проливе он измерял положения Луны и планет, используя инструменты собственной конструкции. Он открыл два неравенства в движении Луны - вариацию и годичное уравнение. Как доказал позже Ньютон , причиной вариации служит притяжение Солнца, действующее по-разному на Землю и Луну из-за регулярного изменения их относительного расстояния от Солнца вследствие движения Луны по орбите. А причиной годичного уравнения (т. е. годичной периодичности в неправильностях движения Луны) служит орбитальное движение Земли, изменяющее расстояние системы Земля-Луна от Солнца.

Точными измерениями Тихо доказал, что вспыхнувшая в 1572 г. в созвездии Кассиопеи звезда (теперь мы знаем, что это был взрыв сверхновой звезды, породивший Крабовидную туманность), находится далеко за пределом атмосферы Земли. Наблюдая кометы в 1577 г. и позже, он доказал, что и они не возникают в земной атмосфере, а движутся за орбитой Луны. Эти открытия разрушили схоластический тезис о неизменности небес и привели к отказу от космологии Аристотеля.

Законы Кеплера

Наблюдения Тихо Браге, обработанные после его смерти Иоганном Кеплером (1571-1630), способствовали триумфу учения Коперника. Более того, Кеплер представил движение планет в совершенно новом свете. Он нашел, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце; что радиус-вектор, соединяющий планету с Солнцем, за равные промежутки времени заметает равные площади; и что квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца. Публикация трех законов планетных движений Кеплера (1609-1619) и рассчитанные им по этим законам планетные таблицы (1627) значительно укрепили теорию Коперника. Однако попытки Кеплера дать физическое объяснение своим законам на основе механики Аристотеля оказались безуспешными.

Революция в механике началась, благодаря великому современнику Кеплера итальянцу Галилео Галилею (1564-1642). Путем экспериментов он доказал, что не требуется прикладывать силу для поддержания равномерного и прямолинейного движения тела. Этот принцип инерции стал первым законом механики Ньютона, объяснившей движение планет. В 1610 г. Галилей усовершенствовал изобретенную незадолго до этого подзорную трубу и первым применил ее в астрономии. В свой телескоп он открыл горы на Луне, четыре крупнейших спутника Юпитера, фазы у Венеры, пятна на Солнце. Он увидел, что Млечный Путь состоит из отдельных звезд и обнаружил загадочные «придатки» у Сатурна (как позже выяснилось - кольцо). Эти открытия окончательно разрушили традиционной представление о Вселенной в пользу теории Коперника.

Вероятно, Рене Декарт в 1644 г. первым ясно сформулировал принцип инерции, Роберт Гук в 1666 приложил его к теории движения планет, а Исаак Ньютон (1642-1727) в своих «Математических началах натуральной философии» (1687) утвердил его как закон движения. Ньютон доказал, что движение Луны вокруг Земли подчиняется силе тяжести, убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния. Идея о всемирном тяготении помогла объяснить эллиптические орбиты планет и прецессию земной оси.

Современная астрономия

В конце 19-го века астрономия преобразилась благодаря изобретению фотографии, позволившей объективно документировать небесные явления для их неоднократного дальнейшего изучения. Вторым важным изобретением стал спектроскоп. В 1672 г. Ньютон описал получение спектра солнечного света. Около 1814 г. Йозеф Фраунгофер открыл, что полоса спектра пересечена множеством темных линий. К середине 19-го века поняли, что раскаленные пары любого вещества дают характерный спектр из ярких линий. В 1848 Леон Фуко заметил, что пламя с натрием, помещенное перед электрической дугой, поглощает желтую часть ее излучения. Совпадение линий излучения и поглощения для многих элементов было доказано Густавом Кирхгофом после 1859 г. Он понял, что горячее ядро Солнца покрыто более холодной атмосферой, создающей в спектре фраунгоферовы линии поглощения. Основанный на этом анализ содержания химических элементов в атмосферах Солнца и звезд был развит Уильямом Хёггинсом (1824-1910).

Начатая Хёггинсом классификация звезд по их спектрам была развита Пьетро Анджело Секки (1818-1878), Германом Карлом Фогелем (1841-1907) и в колоссальной работе гарвардских астрономов под руководством Эдуарда Чарлза Пикеринга (1846-1919). Используя эффект смещения линий в спектре движущегося источника, открытый Доплером в 1842 г., Фогель в 1892 г., а затем Хёггинс стали измерять скорости приближения и удаления звезд.

Солнце

В 1843 Генрих Швабе сообщил, что количество пятен на Солнце изменяется с 11- летней периодичностью. Вскоре обнаружили сопутствующие этому изменения в геомагнитных явлениях. Начиная с 1866 Норман Локьер (1836-1920) стал использовать спектроскоп для изучения Солнца. Изобретенный Джорджем Хейлом (1890) и Анри Деландром (1891) спектрогелиограф дал возможность фотографировать Солнце в линии одного химического элемента; это позволило изучать распределение элементов и структуру пятен и протуберанцев.

Калориметрические измерения Джона Гершеля (1792-1871), Клода Пуйе (1791-1868) и Чарлза Аббота (1872-1973) позволили определить «солнечную постоянную» - поток солнечной энергии на единицу поверхности Земли, и, зная расстояние до Солнца, вычислить его полную светимость. На основании закона Йозефа Стефана (1879) о связи температуры тела с его излучением было найдено, что температура поверхности Солнца около 6000 °С. В 1848 г. Юлиус Роберт Майер предположил, что источником энергии Солнца служит падение на него метеоритов, а Герман Гельмгольц в 1854 г. привлек для этого сжатие Солнца. Но в 1939 г. Ганс Бете и Карл Вейцзеккер показали, что источником излучения Солнца служат термоядерные процессы в его недрах. Это позволило построить теорию внутреннего строения и эволюции звезд, надежно подтвержденную астрономическими наблюдениями (1960-80 гг.) и измерениями нейтринного потока от Солнца (1968-2002 гг.). В последние годы строение Солнца успешно изучают методами гелиосейсмологии, регистрируя флуктуации солнечной поверхности, вызванные выходом из недр звуковых волн.

Планеты

За всю эпоху астрономических наблюдений в Солнечной системе были открыты лишь две большие планеты - Уран и Нептун. Вильям Гершель (1738-1822) случайно обнаружил Уран 13 марта 1781 г., заметив диск планеты. Дальнейшие наблюдения Урана указали на возмущения в его движении, которые были приписаны влиянию более далекой планеты. Урбен Леверье (1811-1877) вычислил положение этой гипотетической планеты и по его указанию она была открыта 23 сентября 1846 г. в Берлинской обсерватории Иоганном Галле. Ее назвали Нептуном.

В ходе поисков планеты за Нептуном Клайд Томбо на Ловелловской обсерватории в 1930 г. нашел Плутон, который в 20 веке тоже считали планетой. Однако после 2004 г. на периферии Солнечной системы было обнаружено несколько тел подобных Плутону, и все они были в 2006 г. выделены в особую группу планет-карликов. В нее же вошел и крупнейший астероид Церера. Детальное изучение планет, астероидов и комет сейчас ведется с борта автоматических аппаратов, но массовое обнаружение объектов Солнечной системы (открыто уже более 500 тыс.) и наблюдение за их движением осуществляется с помощью наземных телескопов.

Звезды

Изучая небо в конце 18-го века, Вильям Гершель обнаружил двойные звезды, т. е. пары звезд, обращающихся под действием взаимного притяжения вокруг общего центра массы. Расстояния до звезд были впервые измерены в 1835-1839 гг., когда В. Я. Струве , Ф. Бессель и Т. Хендерсон определили параллаксы ближайших звезд.

Взамен распространенному в 19-м веке взгляду, что звезды только остывают в процессе эволюции, Джозеф Норман Локьер (1836-1920) предположил на основе «метеоритной гипотезы» небесных тел (1888), что в процессе аккумуляции и сжатия звезды разогреваются, достигают максимальной температуры и лишь затем начинают остывать. Эту идею в 1913 г. поддержал Генри Н. Рассел, обнаруживший, что холодные красные звезды составляют два класса с совершенно разной светимостью. Это же деление красных звезд на гигантов и карликов независимо открыл Эйнар Герцшпрунг (1873-1967). На основе современной физики теория внутреннего строения звезд начала развиваться с 1916 г. трудами Артура Эддингтона (1882-1944), Джеймса Джинса (1877-1946) и Эдуарда Милна (1896-1950). Мощный импульс эта теория получила с появлением компьютеров в середине 1950-х. Но и сейчас ее нельзя назвать завершенной, поскольку наблюдаемые явления в жизни звезд чрезвычайно разнообразны и не все из них находят объяснение.

Галактики

Томас Райт в 1750 г. и Вильям Гершель в 1784 г. объяснили явление Млечного Пути как наблюдаемую нами гигантскую совокупность звезд, сосредоточенных в плоском слое, вблизи средней плоскости которого находится Солнце. Гершель начал подсчеты звезд для изучения формы Галактики, а продолживший эти статистические исследования Якобус Корнелиус Каптейн (1851-1922) открыл в 1904 г. «звездные потоки», указавшие на вращение Галактики. Харлоу Шепли (1885-1972) определил положение центра Галактики и оценил ее размер по распределению в пространстве шаровых звездных скоплений.

Гершель подозревал, что некоторые туманности являются далекими звездными системами, подобными Галактике. Однако Хёггинс обнаружил в спектрах многих туманностей яркие линии, указывающие на их газовую природу. Противоречие разрешилось в первой половине 20-го века, когда выяснилось, что существуют как газовые межзвездные туманности, принадлежащие нашей Галактике, так и далекие звездные системы, - галактики, изучение и классификацию которых выполнил Эдвин Хаббл (1889-1953). Он показал, что практически все галактики удаляются от нас со скоростями, пропорциональными расстоянию до них (закон Хаббла) и таким образом открыл «расширение Вселенной». Факт горячего начала процесса расширения - Большого взрыва - подтвердился открытием реликтового излучения (1965 г.). Измерение расстояний до далеких галактик показало в 1998 г., что в последние миллиарды лет расширение Вселенной происходит с ускорением; причина этого «антигравитационного» эффекта пока не ясна.

Астрономические инструменты и приборы

К астрономическим инструментам можно отнести те инструменты, приборы, приспособления, которые прямо предназначены только для проведения измерений или других исследований астрономических явлений и астрономических объектов. Более универсальные инструменты и приборы, также часто применяемые в астрономических наблюдениях (так обычно называются исследования астрономических объектов, чтобы подчеркнуть пассивную роль исследователя в этом процессе), например, компьютер, как правило, не относят к астрономическим инструментам.

Развитие астрономических инструментов тесно связано с развитием астрономии как науки. Известны случаи, когда новая технология, воплощенная в астрономических приборах, предъявляя новые факты, давала значимый толчок новым идеям в астрономии. Также бывало и наоборот, новые астрономические идеи создавали потребность в разработке технологически новых инструментов и приборов, которые смогли бы предоставить необходимые данные об астрономических объектах.

Астрономические наблюдения начались гораздо раньше, чем появились первые астрономические инструменты, так для определения линии север-юг или высоты Солнца использовались любые ориентиры на местности или подходящие предметы и сооружения. Но постепенно требования к точности проведения астрономических измерений привели к созданию специальных установок. Самым древним астрономическим инструментом считается гномон - вертикальный шест известной длины с неким подобием шкалы, нанесенной на выровненной площадке у основания. Затем появились армиллярные сферы, квадранты, сектанты и прочие инструменты, предназначенные для определения абсолютного или взаимного положения астрономических объектов, видных невооруженным глазом. Соответственно, и содержание астрономических наблюдений сводилось к определению положения небесных светил и закономерностей в их движениях. Повышение точности измерений осуществлялось главным образом за счет увеличения размеров этих инструментов и за счет повышения точности различного вида часов.

Ситуация кардинальным образом начала меняться после появления телескопа - оптического прибора, собирающего свет с большей площади, нежели это делает глаз человека, и преобразующий направление прихода света так, что маленькое различие в направлениях становится большим и легко обнаруживаемым (Оптические телескопы). Эти две основных функции стали определяющим для понятия телескоп, и в настоящее время этим термином называются инструменты, работающие в других спектральных диапазонах электромагнитного излучения (например гамма-телескоп, радиотелескоп), а также применяемые для регистрации различных частиц (нейтринный телескоп).

Сильно изменившись, телескоп является основным астрономическим инструментом и прибором. С точки зрения оптической конструкции телескопы подразделяются на зеркальные, линзовые и зеркально-линзовые. Тип телескопа определяется исходя их особенностей его назначения. В свою очередь, зеркальные телескопы подразделяются по названию использованной оптической схемы: зеркальный телескоп системы Кассегрена, системы Ричи-Кретьена, трехзеркальная система телескопа LSST, зеркально-линзовый широкоугольный телескоп системы Максутова, камера Шмидта и т.д. По особенностям установки телескопа они разделяются на наземные на экваториальной или азимутальной монтировке и космические. Существует ИК телескоп, установленный на борту самолета (SOPHIA). Разрабатывались телескопы для наблюдений с аэро- и стратостатов.

Для наблюдений в разных спектральных диапазонах конструкции телескопов приходится оптимизировать вплоть до кардинального изменения облика (гамма-телескопы, рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные телескопы, суб-миллиметровые, миллиметровые, сантиметровые радиотелескопы и т.п.).

Существует также классификация по назначению телескопа, основное разделение касается солнечных и ночных наблюдений. Телескопы для исследования Солнца имеют ряд особенностей связанных со спецификой измерений такого мощного светового и протяженного источника и подразделяются далее по более узкому предназначению: хромосферный и фотосферный телескоп, коронограф и т.п.

Современные оптические телескопы для наблюдения звезд и внегалактических объектов имеют общие характерные особенности, определяемые текущим технологическим состоянием. Крупнейшие телескопы имеют схожие оптические схемы (система Ричи-Кретьена), характерный размер главного зеркала 8-11 м, встроенную систему активной оптики, контролирующей сравнительно медленные изменения параметров оптики и трубы телескопа, и оптимизированы для астрономических исследований в видимом и близком инфракрасном диапазонах спектра. Для достижения максимальной эффективности эти телескопы оснащаются системами адаптивной оптики. В некоторых случаях несколько телескопов объединяются в один комплекс, образуя звездный интерферометр с достаточно длинной базой, например, система из четырех телескопов VLB Южной европейской обсерватории на г. Параналь может образовывать интерферометр VLBI.

Проектируемые телескопы следующего поколения будут иметь диаметр главного зеркала порядка 30-50 м, что еще на два порядка увеличит их возможности. Эти телескопы изначально предназначены только для работы с системами адаптивной оптики различных типов. Их оптические схемы, как правило, оригинальны и содержат 3-4 зеркала. Современные телескопы - это уникальные, прецизионные, громадные и дорогостоящие инструменты. По своим размерам и стоимости (десятки и сотни миллионов долларов) они уступают разве что гигантским ускорителям элементарных частиц. Методом повышения эффективности их работы является установка такого инструмента в месте, обладающем хорошим и отличным астроклиматом.

Собранное телескопом излучение направляется на специальный астрономический прибор, назначение которого - пространственно или спектрально проанализировать излучение и зарегистрировать его для последующего хранения, измерения и анализа. Специфика астрономических измерения имеет особое отличие от обычного физического эксперимента - оно не может быть повторено в тех же самых условиях. Каждое астрономическое измерение - это некий временной срез реально части существующей и эволюционирующей Вселенной.

Астрономические навесные приборы (хотя они могут быть и установлены на неподвижной платформе телескопа) отличаются от обычных лабораторных аналогов повышенными требованиями к надежности, жесткости, термостабильности, эффективности пропускания света и чувствительности, поскольку предназначены для исследования предельно слабых астрономических объектов. В некоторых случаях речь идет об анализе единиц и десятков фотонов, приходящих от определенного источника. Время измерения может достигать нескольких часов. Типичными представителями таких приборов являются спектрографы, фотометры-поляриметры, часто они делаются многоканальными и многообъектными, чтобы не терять наблюдательное время.

В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах с 90-х годов прошлого столетия в качестве детектора используются многоэлементные фотоэлектрические приборы - как правило ПЗС камеры, обладающие почти 100% квантовым выходом и чувствительные в достаточно широком спектральном диапазоне. Современные астрономические ПЗС камеры имеют типичные размер 4 тысячи на 4 тысячи фоточувствительных ячеек и шумы, эквивалентные одному упавшему фотону. Однако и такой размер не обеспечивает некоторые потребности астрономических измерений, поэтому детекторы часто объединяются в мозаики, позволяющие одновременно получать изображение участка звездного неба размером 40 тыс на 40 тыс элементов разрешения. Каждый такой снимок занимает в памяти компьютера объем в несколько гигабайт. На протяжении одной наблюдательной ночи может быть получена информация общим объемом несколько терабайт.

Астрономические инструменты и приборы - уникальные изделия современной технологии, позволяющие добиваться решения существующих проблем современной астрономии и физики.