Астрономия наших дней

Введение

Данный реферат посвященсовременным вопросам астрономии — той области знаний, которые за последние годыдали наибольшее число научно-технических открытий.

Вся история изученияВселенной есть, в сущности, поиск средств, улучшающих человеческое зрение. Доначала XVII века невооруженный глаз был единственным оптическим инструментомастрономов. Вся астрономическая техника древних сводилась к созданию различныхугломерных инструментов, как можно более точных и прочных. Уже первые телескопысразу резко повысили разрешающую и проницающую способность человеческого глаза. Вселенная оказалась совсем иной, чем она казалась до тех пор. Постепенно былисозданы приемники невидимых излучении и в настоящее время Вселенную мывоспринимаем во всех диапазонах электромагнитного спектра — от гамма-лучей досверхдлинных радиоволн.

Более того, созданыприемники корпускулярных излучений, улавливающие мельчайшие частицы -корпускулы (в основном ядра атомов и электроны), приходящие к нам от небесныхтел. Если не бояться аллегорий, можно сказать, что Земля стала зорче, ее"глаза", то есть совокупность всех приемников космических излучений, способныфиксировать объекты, от которых до нас лучи света доходят за многие миллиардылет.

Благодаря телескопам идругим инструментам астрономической техники человек за три с половиной векапроник в такие космические дали, куда свет — самое быстрое, что есть в этоммире — может добраться лишь за миллиарды лет! Это означает, что радиус изучаемойчеловечеством Вселенной растет со скоростью, в огромное число раз превосходящейскорость света!

¶1.Спектральный анализ небесных тел

Могучим оружием оисследовании Вселенной стал для астрономов спектральный анализ — изучение интенсивностиизлучения в отдельных спектральных линиях, в отдельных участках спектра. Спектральный анализ является важнейшим средством для исследования вселенной. Спектральный анализ является методом, с помощью которого определяетсяхимический состав небесных тел, их температура, размеры, строение, расстояниедо них и скорость их движения. Спектральный анализ проводится с использованиемприборов спектрографа и спектроскопа. С помощью спектрального анализаопределили химический состав звёзд, комет, галактик и тел солнечной системы, т.к. в спектре каждая линия или их совокупность характерна для какого-нибудьэлемента. По интенсивности спектра можно определить температуру звёзд и другихтел.

По спектру звёзды относятк тому или иному спектральному классу. По спектральной диаграмме можноопределить видимую звёздную величину звезды, а далее пользуясь формулами найтиабсолютную звёздную величину, светимость, а значит и размер звезды.

Но в своем стремленииобъяснить природу небесных тел астрономы не сдвинулись бы с места ни на шаг, если бы они не знали как возникают в мировых пространствах электромагнитныеволны той или другой частоты. Сегодня уже известно несколько совсем различныхмеханизмов генерирования электромагнитного излучения. Один из них связан сдвижением электронов в поле атомных ядер — это тепловой механизм Здесьинтенсивность излучения определяется температурой части и их концентрацией вединице объема. Cинхротронноеизлучение возникает при торможении в магнитном поле релятивистских электронов, т. е.электронов, скорости движения которыхблизки к скорости света. Электромагнитные волны возникают и при затуханиимеханических колебаний неоднородной плазмы (ионизованного газа), и при переходебыстрых частиц через границу двух сред.

Из сказанного следует, что недостаточно зарегистрировать излучение какого-то объекта в определеннойдлине волны. Необходимы исследования в широком диапазоне длин волн и всесторонний анализ полученных результатов. Сегодня астрономы, вооруженныесовременной ракетной техникой, мощными оптическими и радиотелескопами, сложнойтеорией механизмов излучения, ведут широкое изучение Вселенной в целом и ееотдельных частей. Астрономы убеждены в том, что они правильно понимают природупроцессов, происходящих далеко за пределами наших земных лабораторий…

¶2.Небо в рентгеновских лучах

До недавнего времени (положение начало существенно меняться лишь немногим более тридцати лет назад) понятие «астрономические наблюдения» было тождественно понятию «оптическиенаблюдения неба».

Между тем еще в последнемгоду XVIII в. В. Гершель открыл излучение Солнца, лежащее за пределами видимогоспектра. Это было инфракрасное излучение, но его электромагнитная природа сталаясна много лет спустя.

В 1801 г. И. Риттер изучал воздействие фиолетового излучения Солнца на хлористое серебро и неожиданнообнаружил, что восстановление окиси серебра продолжается даже тогда, когдапластинка расположена в «темной» области, дальше за фиолетовой. Так былооткрыто ультрафиолетовое излучение Солнца, природа которого тоже оставалась неясной.

Лишь в шестидесятых годахXIX в. Д. Максвелл пришел к выводу, что кроме видимого электромагнитногоизлучения (обычного видимого света) могут существовать и другие его виды, невидимые глазу и отличающиеся лишь длиной волны.

Условно электромагнитноеизлучение подразделяют на несколько диапазонов. Наибольшей длиной (более 10-3 м) обладаютрадиоволны. Диапазон от 0,65 мкм до 1 мм — область инфракрасного излучения. «Оптическое окно» — от 0,39 до 0,65 мкм. Еще короче длины волн ультрафиолетовогоизлучения, они простираются примерно до 0,05 мкм. В области еще более короткихдлин волн приборы способны регистрировать буквально каждый фотон, и поэтомупринято в рентгеновском и более жестких диапазонах (т. е. в области болеевысоких энергий фотонов) использовать не длины волн, а соответствующие имэнергии фотонов. Так, фотон с длиной полны 0,05 мкм обладает энергией 4·10-17 джоулей (Дж) или0,025 килоэлектронвольт (кэВ). Область энергий фотонов от 0,025 до 1 кэВ — этообласть мягкого рентгеновского излучения, 1−20 кэВ — «классический"рентгеновский диапазон; именно в этом диапазоне были проведены наиболееэффективные исследования неба.

Какое это было быпрекрасное зрелище, если бы мы могли увидеть своими глазами небо врентгеновских лучах! Пусть даже мы могли бы видеть лишь звезды ярче 6-йзвездной величины, как и в оптическом диапазоне. На рентгеновском небе, вотличие от оптического, таких звезд поменьше — около 700 против 6000. Самаяяркая рентгеновская звезда светит подобно Венере. Но, в отличие от Венеры, которая блестит спокойно, мы видели бы, как ярчайшая звезда на рентгеновскомнебе за считанные минуты становится ярче или уменьшает свой блеск. Мы видели быигру яркости у многих рентгеновских звезд. Мы видели бы, как на небе вспыхиваюти гаснут звезды — одни за секунду, другие за минуты, третьи за часы. Иныезвезды видны всегда, другие — лишь несколько недель или месяцев. Мы видели бызвезду, которая вспыхивает и гаснет тысячи раз в сутки. Мы видели бы яркиетуманности и огромные дуги излучения — ничего похожего нет на оптическомнебосклоне. Правда, на рентгеновском небе нет яркой туманной полосы МлечногоПути -небо почти равномерно светится во всех своих частях. Мы видели бымножество слабых звезд, разбросанных по небу, и знали бы, что это очень далекиеобъекты — на оптическом небе невооруженный взгляд не способен их увидеть.

Рентгеновские звездысобираются в созвездия, которым никто не дал и, видимо, так и не даст на званий- поэтические времена в астрономии давно прошли. Астрономы — люди трезвые, предпочитающие точное знание поэтическим обобщениям.

Исследованиерентгеновского неба принесло для нашего точного знания о Вселенной огромныйматериал. Особенно о тех небесных телах, которые существенно (а то ипринципиально!) отличаются от обычных звезд, сияющих на оптическом ночном небе, Вероятно, в конце концов и без рентгеновских наблюдений астрономы обратили бывнимание на странные звезды Н2 Геркулеса, или НDЕ 226 808, или Х Персея. Нознания наши остались бы при этом чрезвычайно неполными. Мы могли быподозревать, что в этих системах есть нечто необычное — например, аномальнобольшая невидимая масса. Но что происходит в окрестности этой массы? Можетбыть, это обычная звезда, просто ее излучение слабое и теряется на фоне первойкомпоненты? Вряд ли нам удалось бы узнать это. И уже совсем мы не могли быничего сказать о том, что происходит в центре нашей Галактики — области, невидимой в оптических лучах.

Впрочем, радиоастрономымогут сказать то же о радионебе. И в гамма-области небо тоже своеобразно идобавляет к нашим знаниям о Вселенном свою страницу.

Вселенная едина — этолюди разделили излучение небесных тел на искусственные диапазоны, потому чтонеспособны воспринимать мир сразу во всем богатстве красок, от мягкой"акварели" радионебом до жгучих цветов гамма-лучей. Мы складываем картинуВселенной подобно мозаике, и данные рентгеновских наблюдений — лишь один изэлементов. Изучение небесных тел и явлений сейчас приносит наибольшие плоды, когда все диапазоны электромагнитного спектра оказываются использованными. Всеволноваяастрономия стала совершенно необходима, и она появилась.

Открытие, сделанное вкаком-то одном диапазоне, сразу приводит к активизации исследований в другихдиапазонах. Шаровые звездные скопления изучались много лет, и неожиданностейздесь не предвиделось. Но вот были открыты в них рентгеновские источники, ишаровые скопления сразу привлекли всеобщее внимание. Резкий скачокисследований, резкий скачок в нашем понимании природы этих образований. Многолет исследовались двойные системы — кривые блеска, перетекание вещества, свойства звезд. Но вот в двойных системах были открыты рентгеновские источники, и астрофизики поняли, что знания, казавшиеся такими значительным, на самом делемалы. Последовал резкий рост числа исследований двойных систем — не только врентгеновском, но в оптическом, инфракрасном, радиодиапазонах. Фронт науки нетерпит отставания — если в одной области происходит прорыв вперед, на новыерубежи, все остальные должны не медленно подтянуться, иначе картина мираокажется клочковатой или просто противоречивой. В последние годы именнорентгеновские исследования часто были бросками в неизвестное, именно они"тянули" за собой фронт астрофизической науки.

Первое знакомство срентгеновским небом за кончилось — так Галилей, оглядев небо в первый телескоп, понял, что перед ним новый мир, и, оправившись от потрясений, приступил к егосистематическому изучению. Изучению, которое привело к современной оптическойастрономии. То же пред стоит теперь и в астрономии рентгеновской.

И недалеко время, когдаастрономы перестанут делить излучение на диапазоны, когда небо откроется сразувсеми цветами. Небо в рентгеновских лучах прекрасно — но мы увидим Небо ипоразимся, и застынем на некоторое время, впитывая увиденное. А потом — за работу.

¶3. Радиоастрономия

«Современная радиоастрономия использует самые чувствительные приемники и самые большие антенные системы. Радиоастрономия ценна прежде всего потому, что она существенно обогатила наши представления о Вселенной».

И.С. Шкловский

Зарождениерадиоастрономии

Декабрь 1931 года… Водной из американских лабораторий ее сотрудник Карл Янский изучает атмосферныепомехи радиоприему. Нормальный ход радиопередачи на волне 14,7 м нарушен шумами, интенсивность которых не остается постоянной.

Постепенно выясняетсязагадочная периодичность — каждые 23 часа 56 минут помехи становятся особенносильными. И так изо дня в день, из месяца в месяц.

Впрочем, загадка быстронаходит свое решение. Странный период в точности равен продолжительностизвездных суток в единицах солнечного времени. Яснее говоря, через каждые 23часа 56 минут по обычным часам, отсчитывающим солнечное время, земной шарсовершает полный оборот вокруг оси, и все звезды снова возвращаются впервоначальное положение относительно горизонта любого пункта Земли.

Отсюда Янский делаетестественный вывод: досадные помехи имеют космическое происхождение. Какая-тотаинственная космическая «радиостанция» раз в сутки занимает такое положение нанебе, что ее радиопередача достигает наибольшей интенсивности.

Янский пытается отыскатьобъект, вызывающий радиопомехи И, несмотря на несовершенство приемнойрадиоаппаратуры, виновник найден. Радиоволны исходят из созвездия Стрельца, того самого, в направлении которого находится ядро нашей звездной системы -Галактики.

Так родилась радиоастрономия- одна из наиболее увлекательных отраслей современной астрономии.

Развитиерадиоастрономии

Первые пятнадцать летрадиоастрономия почти не развивалась. Многим было еще не ясно, принесут лирадиометоды какую-нибудь существенную пользу астрономии.

Разразившаяся втораямировая война привела к стремительному росту радиотехники. Радиолокаторы былиприняты на вооружение всех армий. Их совершенствовали, всячески стремилисьповысить чувствительность, вовсе не предполагая, конечно, использоватьрадиолокаторы для исследования небесных тел.

Советские ученыеакадемики Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси теоретически обосновали возможностьрадиолокации Луны еще в 1943 году.

Это было первоерадиоастрономическое исследование в Советском Союзе. Два года спустя (в 1946 году) оно было проверено на практике сначала в США, а затем в Венгрии. Радиоволны, посланные человеком, достигли Луны и, отразившись от нее, вернулисьна Землю, где были уловлены чувствительным радиоприемником.

Последующие десятилетия -это период необыкновенно быстрого прогресса радиоастрономии. Его можноназвать триумфальным, так как ежегодно радиоволны приносят из космосаудивительные сведения о природе небесных тел. На сравнительно коротком интервалевремени, начиная с 50-х гг., в радиоастрономии достигнут большой прогресс. Разрешение от 1−10 уг. мин. дошло до 0.1 тыс .уг. сек и значительно превосходитвозможности оптической астрономии. Чувствительность от 1−10 Ян повысилась до 1мкЯн. Наблюдения проводятся в диапазоне от 0.01 до 300−400 ГГц. Одновременнопринимаемая полоса частот от 100−200 кГц доведена до 1−10 ГГц. Радиоастрономияимеет сопоставимые, а по некоторым проблемам и большие по сравнению с оптикой, возможности проникновения в глубины Вселенной.

Перспективырадиоастрономических исследований

Прогресс радиоастрономических исследований определяетсяуровнем экспериментальной техники. Можно указать на два достижения, которыеявляются основой современной радиоастрономии.

Первое: разработка апертурного синтеза и синтезированныхрадиотелескопов, разработка радиоинтерферометров со сверхбольшой базой. Смыслэтих систем состоит в том, что сигналы, принятые разными антеннами, определенным образом складываются. В итоге удается воссоздать картину, которуюдала бы одна большая остронаправленная антенна. И вот результат — врадиоастрономии получена разрешающая сила в десятитысячной доли угловойсекунды, что на несколько порядков выше разрешения наземных оптическихтелескопов.

Второе: разработка на основе ЭВМ многоканальных системкосмической радиоспектроскопии, создание радиотелескопов-спектрометров.Эти инструменты позволили исследовать структурумазерных источников, открыть в космосе более 50 различных органическихмолекул, в том числе сложные молекулы, состоящие более чем из десятка атомов.

Через 50 лет, надополагать, будут открыты (если они имеются) планеты у ближайших к нам 5−10звезд. Скорее всего их обнаружат в оптическом, инфракрасном и субмиллиметровомдиапазонах волн с внеатмосферных установок.

В будущем появятсямежзвездные корабли-зонды для полета к одной из ближайших звезд в пределахрасстояний 5−10 световых лет, разумеется, к той, возле которой будут обнаруженыпланеты. Такой корабль будет двигаться со скоростью не более 0,1 скорости светас помощью термоядерногодвигателя.

В радиоастрономии будутиспользоваться гигантскиекосмические системы апертурного синтеза с размерамирадиотелескопов более 100 метров и расстоянием между ними до нескольких сотентысяч километров (сейчас наибольшее расстояние между радиотелескопамиограничено размерами Земли).

В первой трети XXI в. будет обсуждаться проблема ограничения производства термоядерной энергии, которая к тому времени станет доминирующей, предпримутся также серьезные шаги, чтобы использовать фоновую энергию, существующую на Земле всегда (энергиюветра, приливов, солнечную энергию и т. п.), утилизация которой не приводит кдополнительному нагреву планеты.

Вероятно, будут построеныспециальные большиерадиотелескопы для наблюдения и поиска электромагнитных сигналов разумного (искусственного) происхождения во всем перспективном диапазоне волн,проведены наблюдения сигналов от значительной части звезд Галактики, получитдальнейшее развитие теория возникновения и эволюции внеземных цивилизаций.

Радиоастрономияиспользует сейчас самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенныесистемы. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаютсянедосягаемыми для обычных оптических телескопов. Радиоастрономия сталанеотъемлемой частью современного естествознания. Перед человечеством раскрылсярадиокосмос — картина Вселенной в радиоволнах.

Как известно, успехи врадиоастрономии главным образом определяются возможностями получить высокуючувствительность и разрешающую способность. Из оптической астрономии пришлоразделение инструментов на два класса: рефлекторов и рефракторов. В середине50-х годов велась активная дискуссия, какие системы лучше развивать врадиоастрономии, где короче и дешевле путь достижения высокого разрешения ичувствительности.

Каждая наука изучаетопределенные явления природы, используя свои методы и средства. Для радиоастрономииобъектом изучения служит весь необъятный космос, все бесчисленное множествонебесных тел. Правда, это изучение несколько одностороннее — оно ведется лишьпосредством радиоволн. Но и в таком «разрезе» Вселенная оказывается бесконечномногообразной, неисчерпаемой для исследователя.

¶4.Оптические наблюдения

Человеческому глазудоступна узкая область длин волн электромагнитного спектра излучения — от 0,39до 0,65 мкм. Это очень небольшая щель, сквозь которую люди в течениетысячелетий заглядывали во Вселенную. Но сколько потрясших воображение открытийпринесли эти наблюдения!

На протяжении несколькихтысячелетий астрономы ограничивались определением положений светил на небеснойсфере и оценкой их блеска невооруженным глазом. Ныне в их распоряжении мощныеприборы, позволяющие улавливать буквально отдельные кванты света, идущие отдалеких звездных систем.

Некоторое времянаибольшими из астрономических телескопов были 250-сантиметровый рефлекторобсерватории Маунт Вильсон и 500-сантиметровый рефлектор Паломарскойобсерватории в США.

Сегодня крупнейшим вЕвропе является телескоп рефлектор с диаметром зеркала 600 см. Он установлен на. Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукская. Вот некоторые еготехнические характеристики: вес зеркала около 40т, фокусное расстояние — 24 м, вес инструмента вместе с монтировкой — свыше 850 т. Телескоп вращаетсявокруг горизонтальной и вертикальной осей. Компьютер пересчитывает координатысветила с экваториальной в горизонтальную систему координат и подастсоответствующие команды на управляющую механическую систему, вращающую инструментвслед за этим светилом.

До последнего временинаиболее распространенной оптической системой телескопов была системаКассегрена В таком телескопе главное зеркало имеет форму параболоида. Отразившись от него, световые лучи возвращаются сходящимся пучком назад, попадают на меньшее выпуклое гиперболическое зеркало, опять изменяютнаправление своего движения и, пройдя через отверстие в главном зеркале, собираются позади него в фокальной плоскости.

Несколько лет назад в США (обсерватория Китт-Пик), а затем в Австралии (обсерватория Сайдинг-Спринг)введены в действие телескопы системы Ричи-Кретьена с диаметрами зеркал 400 см. В этой системе как главное, так и вспомогательное зеркала имеют гиперболическую форму. Этозначительно уменьшает длину трубы телескопа, облегчает его монтировку, адиаметр поля зрения увеличивается в 5−10 раз Аналогичный телескоп установлен вКанаде на горе Кобау. В Чили американские ученые устанавливают телескоп этой жесистемы с диаметром главного зеркала 400 см, а на так называемой Объединенной Европейской обсерватории (там же) устанавливается телескоп с диаметром 360 см. Отметим, что стоимость 4-метрового гиганта оценивается в 10 млн. долларов.

Сейчас в разных странахстроится около 8 телескопов с D>3 м и более, 20 — с D>1 м. В частности, мощность современного телескопа оценивается такой цифрой: в 6-метровый телескопможно увидеть звезды до 24m. Световой поток от этих объектовв 6 млн. раз меньше, чем от звезд 6-й величины.

Теперь в миренасчитывается около 1000 астрономических обсерваторий и станций наблюдений заискусственными спутниками Земли. Почти 100 из них — в России. Своимиисследованиями приобрели мировое признание Пулковская астрономическаяобсерватория, Крымская астрофизическая обсерватория, Бюраканскаяастрофизическая обсерватория, Государственный астрономический институт имениШтернберга (Москва) и многие другие.

На миллиарды световых лет (световой год — это, 9.460 Х 1012 км) проникает сейчас во Вселенную глаз наблюдателя. Самые слабые объекты, доступные современнымтелескопам, имеют примерно 24-ю звездную величину. Самое яркое светило на небе (исключая Солнце и Луну) — планета Венера — в периоды наибольшей яркости имеетзвездную величину, равную -4. Значит, блеск слабейшей из галактик в 150 миллиардовраз меньше блеска Венеры. Таков «проницающий взгляд» оптической астрономии.

¶5.Другие методы наблюдений

Обо всем, что происходитвокруг нас, о далеких звездных и галактических мирах рассказывают нам световыелучи. Но в наше время визуальные наблюдения небесных светил проводятся оченьредко. Более эффективными оказались фотографические и фотоэлектрические методынаблюдений. Возможности фотографического метода действительно сказочные: ведьпри длительном фотографировании количество квантов, поглощенных фотоэмульсией, возрастает. В частности, при помощи 6-метрового телескопа можно получить изображениязвезд до 20m при экспозиции всего 10 минут. К тому же на однойпластинке фиксируются изображения многих тысяч объектов, каждый из которых всвое время может стать чем-то интересным.

В последние годы всебольше используется фотоэлектрический метод pегистрации слабых световых потоков. В этом случае пучок светанаправляется не на фотопластинку, а на фотокатод (металлическую пластинку, вмонтированнуюв стеклянный баллон). Для астрономических наблюдений сегодня используются оченьчувствительные фотоумножители, способные регистрировать очень слабые световыепотоки. Так, современные фотоумножители, установленные на 5 метровом телескопе, регистрируют быстрые изменения яркости объектов до 24-й видимой величины.

Огромный выигрыш вовремени фотографирования слабых объектов дают электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Очень перспективным оказался телевизионный метод.

Большое значение имеетисследование химического состава звезд путем тщательного анализа их спектров. При этом необходимо учитывать температуру и давление в поверхностных слояхзвезд, которые также получают из спектров. Вообще спектрографические наблюдениядают наиболее полную информацию об условиях, господствующих в звездныхатмосферах.

¶Заключение

2000 лет тому назад расстояниеЗемли от Солнца, согласно Аристарху Самосскому, составляло около 361 радиусаЗемли, т. е. около 2.300.000 км. Аристотель считал, что «сфера звезд"размещается в 9 раз дальше. Таким образом, геометрические масштабы мира 2000лет тому назад «измерялись» величиной в 20.000.000 км.

При помощи современныхтелескопов астрономы наблюдают объекты, находящиеся на расстоянии около 10млрд. световых лет, что составляет 9,5−1022 км. Таким образом, за упомянутый промежуток времени масштабы мира «выросли» в 5−1015раз.

Согласно византийскимхристианским богословам (середина IV столетия н.э.) мир был создан 5508 лет дон.э., т. е. менее чем 7,5 тыс. лет тому назад.

Современная астрономиядала доказательства того, что уже около 10 млрд. лет тому назад доступная дляастрономических наблюдений Вселенная существовала в виде гигантской системыгалактик. Масштабы во времени «выросли» в 13 млн. раз.

Но главное, конечно, не вцифровом росте пространственных и временных масштабов, хотя и от них захватываетдыхание. Главное в том, что человек, наконец, вышел на широкий путь пониманиядействительных законов мироздания.

¶Список литературы

1) Шкловский И.С.Вселенная, жизнь, разум. М.:«Наука» 1980 г.

2) Бакулин К.М. Курсобщей астрономии. М. 1987 г.

3) Климишин И. А. Астрономия вчера и сегодня. Киев. 1977 г.