Лекция 1. Предмет астрономии

Роль астрономии в развитии цивилизации

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

Астрономия изучает:

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

Новые объекты астрономии:

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

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

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

 Рассмотрим основные знаковые исторические события, связанные с астрономическими открытиями.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 К началу второй четверти XX века:

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

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

 1930г.-открытие Плутона

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

 1959 г. – создание космических станций.

 1961 г. – первый полет человека в космос.

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

 1969 г. – первая высадка людей на Луну.

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

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

 1997г.-Исследование Марса первым марсоходом.

 1999г.-Обнаружено первое подтверждение рождения черной дыры.

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

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

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

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

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

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

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

 Телескопы

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

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

 Все оптические телескопы можно разделить на три вида:

•  рефрактор;
•  рефлектор;
•  зеркально-линзовые.

 Представлены они на рисунке 1.

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

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

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

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

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

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

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

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

Обсерватории

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

 1. Китайская астрономическая обсерватория «Небесный глаз».

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

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

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

 3. Астрономическая обсерватория Индии (IAO).

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

 4. Специальная астрофизическая обсерватория РАН

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

5. Обсерватория Мауна Кеа, Гавайи.

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

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

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

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

 2. Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ ФИАН.

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

 3. Байкальская астрофизическая обсерватория.

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

История развития отечественной космонавтики

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

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

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

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

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

 Первый в мире искусственный спутник Земли представлен на рисунке 

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

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

Список использованных источников:

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