Современная астрономия и ее методы

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Астрономия, наука о законах, управляющих небесными светилами, бесспорно, одна из самых древних областей знания. Она родилась на заре человеческой культуры, в те незапамятные времена, когда чередование дня и ночи, периодическая смена времен года стали твердо осознанным фактом. Заметьте - своим зарождением астрономия обязана практике, необходимости заранее по небесным явлениям предсказывать наступление того или иного времени года.

Так среди древних пастушеских и земледельческих народов зародился календарь, форма исчисления времени, по астрономическим событиям. Тогда же была открыта и использована для чисто земных целей другая особенность небесных светил - их способность быть путеводителями в путешествиях по Земле.

Долгие века измерение времени и ориентировка в пространстве были единственной практической пользой, которую приносила астрономия. К тому же церковь расправлялась с мыслителями, выдвигавшими свои теории. С изобретением телескопа в XVII веке началось изучение физической природы небесных тел. Но только в наши дни мы можем по достоинству оценить практическое значение подобных исследований космоса.

Необъятный мир небесных тел оказался исполинской природной лабораторией, где мы можем наблюдать и исследовать вещество в таких условиях, которые пока еще недостижимы на Земле. Полученные при этом знания тем не менее возможно использовать в земной обстановке для решения как теоретических, так и практических проблем. Например, открытый сначала на Солнце газ гелий нашел затем широкое практическое применение на Земле. Термоядерные реакции, обеспечивающие свечение Солнца и звезд, все активнее изучаются физиками, и скоро, вероятно, люди научатся воспроизводить эти реакции на Земле и управлять ими, а затем приспособят их для нужд энергетики.

С тех пор, как в 1957 году на космическую орбиту был выведен первый советский искусственный спутник Земли, астрономия стала наукой экспериментальной. Это изменило и роль астрономии и отношение к ней. Астрономия обрела вторую молодость. Звезды стали как бы ближе к человеку. Замечательные успехи советской космонавтики доказали, что человек может выйти в космос и достигнуть ближайших небесных тел. Значит, в будущем они станут ареной практической деятельности человека.

Отсюда небывалый интерес к космическим проблемам. От астрономии теперь с полным основанием ждут новых полезных результатов для практической деятельности человека. Здесь и наблюдение за погодой с искусственных спутников, и поиски полезных ископаемых на Луне, и новые способы радиосвязи (через спутники и Луну), и многое другое, что еще недавно казалось уместным лишь в фантастических романах, а сейчас служит предметом научных исследований.

Никто уже не считает астрономию отвлеченной наукой. Ее польза и связь с земными задачами человека с каждым годом становятся все очевиднее.

Нельзя в наши дни оставаться равнодушным к космосу. Знание основ астрономии сейчас столь же необходимо каждому культурному человеку, как, скажем, знакомство с географической картой. Каждый человек должен знать, как устроен мир.

1. Возникновение и основные этапы развития астрономии.

С древнейших времен у человека, когда он смотрел на небо, возникало много вопросов.

Что представляет собой небесный свод? Не сделан ли он из прозрачного вещества, .подобного хрусталю? Есть ли у него края и опирается ли он на Землю?

Что такое бесчисленные мерцающие звезды? Так ли они малы, как кажутся? Прикреплены ли они наглухо к небесному своду или свободно движутся в пространстве?

Почему Луна перемещается среди звезд? Почему меняет свой вид: то кажется полным кругом, то узким серпом, а то и совсем исчезает с небосвода?

Отчего Солнце летом высоко поднимается над головой и сильно греет Землю, а в зимние дни едва выглянет из-за горизонта и спешит скрыться?

Казалось бы, зачем нашим предкам смотреть на небо и изучать законы, по которым движутся звезды и другие небесные светила? Такое знание необходимо. С незапамятных времен люди занимаются скотоводством и земледелием. Скотоводу и земледельцу надо знать, когда наступит весна, когда она сменится летом, когда после лета явится дождливая осень. И человек следит за Солнцем; начинает оно подниматься на небе и сильнее греть –значит скоро конец зиме, скоро придут теплые, ясные, весенние дни.

Особенно внимательно приходилось изучать движение Солнца жителям древнего Египта, Китая, Индии. В этих странах текут огромные реки; когда они разливаются, то покрывают поля плодородным илом. Обитателям речных долин важно было знать время, когда начнется наводнение, чтобы подготовиться к севу и спастись от волн разбушевавшейся реки.

Науки тогда были недоступны простому народу: ими занимались жрецы – служители церкви. Жрецы были первыми астрономами. Изучая движение небесных светил, они умели предсказывать наступление разливов, затмения Солнца и Луны. Знание астрономии давало жрецам огромную власть над •народом. Обманывая простых людей, жрецы уверяли, что они разговаривают с богами, живущими на небе, что боги передают свои повеления людям через них, жрецов. Жрецов слушались даже цари.

За небесными светилами наблюдали путешественники: они находили дорогу днем до Солнцу, а ночью по звездам.

Астрономия помогла людям начертить первые географические карты. Да и теперь невозможно составлять карты без применения астрономии. Как видно, эта «небесная наука» испокон веков была тесно связана с потребностями людей.

В наше время каждому известно, что Земля имеет форму шара, который движется в мировом пространстве. А прежде люди думали, что Земля – плоский или выпуклый(вроде старинного щита) круг, укрепленный на опорах.

Древние индийцы считали, что полушарие Земли держат четыре слона, а слоны стоят на огромной черепахе.

По представлениям древних вавилонян, Земля имела вид выпуклого острова, окруженного океаном. К твердому небесному куполу, опирающемуся на края земного диска, прикреплены были звезды. Солнце, совершив дневной путь с востока на запад, спускалось за горизонт и, пройдя подземным ходом, появлялось утром на обычном месте.

Наши предки славяне считали, что Земля стоит на трех китах, киты плавают на воде. А на чем держится вода, никому не приходило в голову.

Но уже в древней Греции, за пять столетий до нашей эры, ученики философа Пифагора высказывали предположение, что Земля шарообразна. Это предположение было забыто на долгие века, и люди утвердились в мысли, что Земля – плоский или слегка выпуклый круг, обтекаемый по краям Всемирным океанам.

Уже очень давно люди заметили, что на небе есть светила, не занимающие на нем определенного положения, подобно звездам, а передвигающиеся среди звезд. Эти светила были названы планетами – слово «планета» по-гречески означает «блуждающая звезда». Древние ученые насчитывали семь планет: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн.

Солнце вошло в число планет потому, что оно тоже передвигается среди звезд. Непосредственно это движение нельзя заметить, Солнце затмевает своим светом звезды. Но годовой путь Солнца среди созвездий люди определили очень давно, наблюдая небо ночью. Например, в сентябре по ночному небу проходит созвездие Рыбы, находящееся как раз в стороне, противоположной Солнцу. В этой области неба, в созвездии Рыб, Солнце было в прошлом марте и окажется в будущем.

Так были определены 12 созвездий Зодиака, среди которых пролегает видимый путь Солнца. Вот их названия, соответствующие месяцам года, начиная с января: Козерог, Водолей, Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец. Греческое слово «зодиак» означает «зверинец» ведь большинству из этих созвездий присвоены имена животных.

Установление зодиакальных созвездий сыграло большую роль в развитии астрономии.

Древнегреческий ученый Аристотель, живший в четвертом веке до нашей эры, попытался объяснить движение Луны, Венеры и других планет. Он считал, что Солнце, планеты и звезды вращаются вокруг Земли. В пространстве над Землей находятся восемь твердых и прозрачных хрустальных небес, так называемых сфер. Ближе всех небо Луны: оно вращается вокруг Земли, и Луна наглухо прикреплена к нему. Дальше идет сфера Меркурия, за ним сфера Венеры и так далее. К восьмому небу неподвижно прикреплены все созвездия и звезды.

Создав такое учение, Аристотель задумался: а что же движет все эти восемь сфер? Великий мыслитель не верил в басни жрецов о боге Аполлоне, который будто бы возит Солнце по небу в колеснице, запряженной четверкой быстрых коней. Он решил, что есть девятая сфера, своего рода мотор для движения всех остальных небес, и дал ей название «первый двигатель».

Система Аристотеля кажется нам наивной, но в свое время она делала важное дело: выкидывала богов из мироздания, разрушала религиозные суеверия. Жрецы объявили Аристотеля безбожником. Он был изгнан из родного города, и ему пришлось доживать жизнь на чужбине.

Для практических потребностей астрономии система Аристотеля не годилась: руководствоваться ею можно было бы лишь в том случае, если бы каждая планета описывала на небе правильный круг. Но ведь движение планет гораздо сложнее. Бывает, что планета, продвигаясь по небу в одном направлении, вдруг останавливается и начинает двигаться обратно, совершает так называемое попятное движение. Это объясняется тем, что мы наблюдаем планеты с движущейся Земли. Но древние считали Землю неподвижно.

Через триста лет его труды помогли греку Птолемею создать систему мира, которая надолго утвердилась в астрономии. Чтобы положение светил на небе можно было вычислить заранее, Птолемею пришлось ввести так называемые эпициклы.

Система Птолемея получилась настолько сложной и запутанной, что астрономы признавались: «Легче самим двигать планеты, чем объяснить, как они движутся». И все же учение Птолемея было большим шагом вперед после учения Аристотеля с его хрустальными сферами.

Церковникам учение Птолемея пришлось по вкусу, потому что оно во многом сходилось с библейскими сказками о сотворении мира. Но шарообразность Земли, признаваемую Птолемеем, церковь отвергла.

Выдающимся достижением астрономии было составление звездных каталогов.

Звездный каталог – это перечень звезд, более или менее подробный в зависимости от искусства наблюдателя и тех инструментов, какими он располагает. Сейчас имеются каталоги, включающие сотни тысяч и миллионы звезд, но они составляются при помощи мощных телескопов и фотографической техники.

В древности, когда наблюдатель имел в распоряжении только собственные глаза и весьма примитивные измерительные инструменты, составление звездных каталогов было великим научным подвигом.

Такой подвиг совершили китайский астроном Ши Шен, живший, как и Аристотель, в IV веке до нашей эры, и греческий астроном Гиппарх. В каталог Ши Шена заключено было 800 наиболее ярких звезд, каталог Гиппарха содержал 1022 звезды.

Эти первые звездные каталоги и в наше время имеют серьезное научное значение. Древние, астрономы определили положение звезд на небе очень точно, несмотря на несовершенство инструментов. Сравнивая положение какой-либо звезды в древнем каталоге с тем, какое она занимает теперь, можно определить кажущееся ее смещение за 20 с лишним веков, а это очень важно для изучения движений звезд.

Средние века были для Европы временем длительного упадка науки. В астрономии царила система Птолемея, и отдельные ученые старались лишь усовершенствовать ее. Центр научной мысли переместился на арабский Восток. Там переводились с греческого на арабский язык сочинения древних ученых и философов: Платона, Аристотеля, Птолемея, Архимеда... В Дамаске, Багдаде и других арабских городах строились обсерватории, составлялись астрономические таблицы для наблюдения небесных светил.

Появились выдающиеся астрономы и среди народов, обитавших на территории нашей страны. Под руководством азербайджанского ученого Нассирэддина в середине XIII века были составлены весьма точные таблицы движения планет. В первой половине XV века хан Улугбек, внук Тамерлана, основал замечательную обсерваторию в узбекском городе Самарканде. Он сам занимался астрономией и вместе с помощниками составил звездный каталог, повторив научный подвиг Гиппарха.

Мусульманское духовенство, считавшее научную деятельность Улугбека опасной для религии, организовало заговор, в результате которого Улугбек погиб.

Но о трудах восточных астрономов в Европе узнали только столетия спустя. Среди европейцев в те времена ходили самые нелепые вымыслы о строении Вселенной, о форме Земли, о населявших ее существах.

Великие географические открытия XV и XVI веков помогли людям увидеть истинную форму и величину Земли и разрушили басни о невероятных существах, населяющих неведомые страны. С развитием сообщений между народами люди стали совершать более далекие путешествия.

Церковные сказки о сотворении мира и о том, что Земля – центр Вселенной, опроверг человек церковного же звания Николай Коперник (1473—1543). Коперник был каноником – членом церковного совета. Все свое свободное время он отдавал любимому делу – астрономии.

По учению Коперника, Землю нельзя было считать неподвижным центром мира, для которого создана вся остальная Вселенная. Этот центр – Солнце, а поэтому система Коперника получила название гелиоцентрической.

Первым направил зрительную трубу на небесные светила Галилей. Это случилось в 1609 году. Итальянский астроном сразу увидел на небе наглядные доказательства того, что система Коперника справедлива. Галилей рассмотрел на Луне горы и равнины. Луна оказалась во многом похожей на Землю.

Немецкий астроном Иоганн Кеплер(1571—1630) завершил построение новой системы мира и дал строгие законы движения планет. Пользуясь своими законами, Кеплер в 1672 году опубликовал таблицы движения планет, которые по своей точности превзошли все когда-либо изданные до тех пор.

Славу великого наблюдателя неба заслужил английский астроном Вильям Гершель(1738—1822). В 1781 году Гершель открыл новую планету Уран, имеющую период обращения вокруг Солнца 84 года. Открытие Урана произвело потрясающее впечатление в ученом мире. С древнейших времен никто даже не предполагал, что за Сатурном могут находиться планеты.

Одними из первых космогонических гипотез были гипотезы немецкого философа Иммануила Канта(1724-1804) и французского математика и астронома Пьера Лапласа(1749-1827).

По гипотезе Канта, Солнце некогда было окружено туманностью из беспорядочно двигавшихся частиц. Позднее их движение упорядочилось, частицы стали двигаться в одном направлении вокруг центрального светила. Когда скорость вращения сделалась большой, под действием центробежной силы от основной туманности начали отрываться кольца, продолжавшие вращаться вокруг Солнца. Под влиянием взаимного притяжения частиц кольца собиралось в одно сферическое тело – планету, которая сначала была раскаленной, а затем остывала. Сначала образовались внешние планеты, а затем внутренние. Марс старше Земли, Земля старше Венеры и т. д.

Гипотеза Канта противоречила принципам механики: хаотическое движение материи не могло само собой превратиться во вращательное.

Позднее Лаплас независимо от Канта создал свою гипотезу, где предполагал, что материя туманности уже была наделена вращением.

Торжеством математических методов в астрономии было открытие Нептуна. Существование этой планеты было сначала предсказано математически, и только после этого ее нашли на небе в заранее вычисленной точке.

2. Современная астрономия и ее методы.

Современная астрономия подразделяется на ряд отдельных  разделов, которые тесно связаны  между собой, и такое разделение астрономии в известном смысле условно. Главнейшими разделами астрономии являются:

1. Астрометрия изучает видимые положения и движения светил. Еще в древнейшие времена, на этапе исторического развития науки роль астрометрии долгое время состояла в также точном определении географических координат и времени с помощью изучения движения небесных светил (в современное время для того и другого существуют новейшие способы). Современная астрометрия состоит из:

- фундаментальной астрометрии, задачами которой являются определение координат небесных тел из наблюдений, составление каталогов звёздных положений определение и числовых значений астрономических параметров, величин, – позволяющих учитывать закономерные изменения местоположение светил;

- радиоастрономии, изучающей космические тела с помощью анализа исходящего от них излучения радиоволн;

- сферической астрономии, разрабатывающей математические методы определения видимых и положений движений небесных тел с помощью различных систем координат(горизонтальной, экваториальной и других), а также теорию закономерных изменений координат светил временем.

2. Теоретическая астрономия даёт нам методы для определения орбит небесных тел по их видимым положениям и методы вычисления видимых положений небесных тел по известным элементам их орбит.
3. Небесная механика изучает законы движений небесных тел под действием сил всемирного тяготения, определяет массы и форму небесных тел, и устойчивость их систем. Механика с огромными расстояниями и размерами тел.

Этими тремя раздела решают первую задачу астрономии – исследование движения небесных тел, и называются классической астрономией.

4. Астрофизика изучает строение, физические свойства и химический состав небесных объектов. Она делится на:

- практическую (наблюдательную) астрофизику, в которой разрабатываются и применяются практические методы астрофизических исследований и соответствующие инструменты и приборы;

- теоретическую астрофизику, в которой, на основании законов физики, даются объяснения наблюдаемым физическим явлениям. Ряд разделов астрофизики выделяется по методам специфическим исследования.

5. Звёздная астрономия изучает закономерности пространственного распределения и движения звёзд, звёздных систем, а также межзвёздной материи с учётом их физических особенностей.

В двух этих разделах решаются вопросы второй задачи астрономии – строение небесных тел.

6. Космогония рассматривает вопросы происхождения и эволюции небесных тел, в том и числе нашей Земли и Солнечной системы.
7. Космология же изучает общие закономерности строения и развития всей Вселенной.

На основании всех полученных знаний о небесных телах и знаний полученных предыдущими разделами последние два раздела решают третью задачу астрономии – происхождение и эволюция небесных тел.

Буквальное значение слова астрофизика в переводе с греческого языка означает физика звезд. Однако в настоящее время это слово имеет значительно более широкое значение. Астрофизика — это наука обо всех физических явлениях во Вселенной. Она изучает не только звезды, но и межзвездную и межгалактическую среды, а также свойства и взаимодействие мельчайших частиц вещества (элементарных частиц, атомов, молекул), от которых существенно зависят многие свойства космических объектов, а также и Вселенной в целом.

Следует подчеркнуть, что в настоящее время стирается различие между понятиями астрофизика и астрономия, и многие разделы современной астрофизики в свое название включают слово “астрономия”. Так, например, ряд некоторых разделов современной астрофизики принято называть “Радиоастрономия”, “Оптическая астрономия”, “Рентгеновская астрономия”, “Нейтринная астрономия” и т.д. Такое смещение понятий возникло в результате происшедшей в последние десятилетия революции в астрономии. Суть этой революции состоит не только в том, что человечество освоило ближнее космическое пространство и активно использует его для научных исследований, а главным образом в том, что современная астрофизика (и астрономия тоже) стала всеволновой. Это означает, что в настоящее время ученые осуществляют наблюдения небесных объектов в широком диапазоне электромагнитного излучения, начиная от самых длинных радиоволн и заканчивая самыми энергичными фотонами, энергия которых достигает величины эВ, а также такими элементарными частицами, как нейтрино.

В астрофизике реализуется два концептуальных подхода. Один подход состоит в исследовании индивидуальных небесных объектов, таких, как планеты, звезды, пульсары, квазары, галактики, скопления галактик и др. Другой подход заключается в изучении общих физических принципов для разнообразных астрофизических процессов и в попытке установить общие законы развития материи во Вселенной.

Самый существенный вопрос для астрофизики, каким образом возможно получить информацию о небесных объектах. В настоящее время известны четыре канала получения информации.

1. Электромагнитное излучение: гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и радио-излучения.
2. Космические лучи, которые достигают окрестности Земли и могут взаимодействовать с ее атмосферой. Первичный состав космических лучей включает высокоэнергичные электроны, протоны и тяжелые ядра, а также нестабильные нейтроны и мезоны. В первичный состав космических лучей входят также антипротоны и позитроны, то есть антиматерия. Но значительная часть из них образуется в результате взаимодействия протонов и ядер с межзвездным и межпланетным веществом, а также с атмосферами звезд и планет.
3. Нейтрино и антинейтрино. В настоящее время известны три типа нейтрино, два из которых связаны с электронами и мю-мезонами, а третий тип – с тау-мезонами.
4. Гравитационные волны, которые возникают при взрывах массивных звезд и могут дать информацию о движениях массивных небесных тел. Хотя гравитационные волны и не были детектированы напрямую, существует много наблюдательных данных, которые подтверждают их существование.

Вершиной успеха современной астрофизики явилось открытие небесных объектов с совершенно необычными физическими свойствами. Во-первых, это нейтронные звезды, которые представляют собой очень компактные, размером всего около 10 км объекты. Магнитное поле таких звезд достигает исключительно громадной величины ~10¹³ гаусс, совершенно недостижимой в земных лабораторных условиях. В таких громадных полях полностью изменяется структура вещества и его свойства. Во-вторых, это черные дыры – объекты, у которых вторая космическая скорость равна скорости света. В третьих, это квазары, которые являются ядрами галактик и представляют собой сверхмассивные черные дыры. Важной частью современной астрофизики является космология, то есть наука о том, как возникла и развивалась Вселенная в целом, а также наука о крупномасштабной структуре Вселенной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы проследили развитие астрономической картины мира, начиная с появления первой цивилизации в доисторический период варварства. История науки дает нам увлекательное зрелище духовного роста, сопровождавшего развитие человечества в течение всего периода цивилизации. Сколько бы удивительных знаний и взглядов ни принесла эта наука, ее задача все еще далека от завершения. Относительно ближайшего к нам соседнего мира – Луны – человек стоит еще перед вопросами, которые, возможно, будут решены только тогда, когда к методам пассивного наблюдения удастся присоединить активный эксперимент. Что касается нашего непосредственного окружения во вселенной – солнечной системы, здесь наши знания лишь недавно вышли из стадии полной неопределенности и во всех отношениях еще несовершенны. Наша наука о звездной системе и самих звездах находится еще в самом начале и ограничивается внешней стороной явлений. О бесконечных пространствах за ее пределами и о недрах звезд, их развитии в прошлом и будущем едва намечена первоначальная точка зрения; все это еще проблемы. В любой частности, в любой более широкой области, мы стоим перед рядом интересных вопросов. Настало время, чтобы человечество, основав свободное всемирное общество, где господствует производительный труд, обеспечило в изобилии свою материальную жизнь и освободило все духовные силы для совершенствования своих знаний о природе, науки о вселенной.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бакулин К.М. Курс общей астрономии. М.: Наука, 1987
2. Климишин И.А. Астрономия наших дней. М.: Наука, 1986
3. Куликов К.А. Астрономия древнейшая из наук. М.: Знание, 1965
4. Нейгебауэр О. Точные науки в древности.  М.: Наука, 1968
5. Паннекук А. История астрономии. М.: Физматгиз, 1966