Астрономия - наука о звездах

Астроно́мия — наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и образованных ими систем^[1].

В частности, астрономия изучает Солнце, другие звёзды, планеты Солнечной системы и их спутники, внесолнечные планеты (экзопланеты), астероиды, кометы, метеориты, межпланетное вещество, межзвёздное вещество, пульсары, чёрные дыры, туманности, галактики и их скопления, квазары и многое другое^[1].

Астрономия является одной из древнейших наук. Доисторические культуры оставили после себя такие астрономические артефакты как древнеегипетские монументы и Стоунхендж. А первые цивилизации вавилонян,греков, китайцев, индийцев и майя уже проводили методические наблюдения ночного небосвода. После изобретения телескопа развитие астрономии было значительно ускорено. Исторически астрономия включала в себяастрометрию, навигацию по звёздам, наблюдательную астрономию, создание календарей и даже астрологию. В наши дни профессиональная астрономия часто рассматривается как синоним астрофизики.

В XX веке астрономия разделилась на две главные ветви: наблюдательную и теоретическую. Наблюдательная астрономия — это получение наблюдательных данных о небесных телах, которые затем анализируются. Теоретическая астрономия ориентирована на разработку компьютерных, математических или аналитических моделей для описания астрономических объектов и явлений. Эти две ветви дополняют друг друга: теоретическая астрономия ищет объяснения результатам наблюдений, а наблюдательная астрономия используется для подтверждения теоретических выводов и гипотез.

2009 год был объявлен ООН Международным годом астрономии (IYA2009). Основной упор делается на повышении общественной заинтересованности астрономией и её понимания. Это одна из немногих наук, где непрофессионалы всё ещё могут играть активную роль. Любительская астрономия привнесла свой вклад в ряд важных астрономических открытий.

Этимология [править]

Термин «астроно́мия» (др.-греч. ἀστρονομία) образован от древнегреческих слов ἀστήρ, ἄστρον (астер, астрон), «звезда» и νόμος (номос), «обычай, установление, закон» ^[1].

Структура астрономии как научной  дисциплины [править]

Лунная астрономия: большой кратер на изображении — Дедал, сфотографированный экипажемАполлона-11 во время обращения вокругЛуны в 1969. Кратер расположен рядом с центром невидимой стороны Луны, его диаметр около 93 км.

Внегалактическая астрономия:гравитационное линзирование. Видно несколько голубых петлеобразных объектов, которые являются многократными изображениями одной галактики, размноженными из-за эффекта гравитационной линзы от скопления жёлтых галактик возле центра фотографии. Линза создана гравитационным полем скопления, которое искривляет световые лучи, что ведёт к увеличению и искажению изображения более далёкого объекта.

Современная астрономия делится на ряд разделов, которые тесно связаны  между собой, поэтому разделение астрономии в некоторой мере условно. Главнейшими разделами астрономии являются:

• Астрометрия — изучает видимые положения и движения светил. Раньше роль астрометрии состояла также в высокоточном определении географических координат и времени с помощью изучения движения небесных светил (сейчас для этого используются другие способы). Современная астрометрия состоит из:
• фундаментальной астрометрии, задачами которой являются определение координат небесных тел из наблюдений, составление каталогов звёздных положений и определение числовых значений астрономических параметров, — величин, позволяющих учитывать закономерные изменения координат светил;
• сферической астрономии, разрабатывающей математические методы определения видимых положений и движений небесных тел с помощью различных систем координат, а также теорию закономерных изменений координат светил со временем;
• Теоретическая астрономия даёт методы для определения орбит небесных тел по их видимым положениям и методы вычисления эфемерид (видимых положений) небесных тел по известным элементам их орбит (обратная задача).
• Небесная механика изучает законы движений небесных тел под действием сил всемирного тяготения, определяет массы и форму небесных тел и устойчивость их систем.

Эти три раздела в основном решают первую задачу астрономии (исследование движения небесных тел), и их часто  называют классической астрономией.

• Астрофизика изучает строение, физические свойства и химический состав небесных объектов. Она делится на: а) практическую (наблюдательную) астрофизику, в которой разрабатываются и применяются практические методы астрофизических исследований и соответствующие инструменты и приборы; б) теоретическую астрофизику, в которой, на основании законов физики, даются объяснения наблюдаемым физическим явлениям.

Ряд разделов астрофизики выделяется по специфическим методам исследования.

• Звёздная астрономия изучает закономерности пространственного распределения и движения звёзд, звёздных систем и межзвёздной материи с учётом их физических особенностей.
• Космохимия изучает химический состав космических тел, законы распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессы сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Иногда выделяют ядерную космохимию изучающую процессы радиоактивного распада и изотопный состав космических тел. Нуклеогенез в рамках космохимии не рассматривается.

В этих двух разделах в основном решаются вопросы второй задачи астрономии (строение небесных тел).

• Космогония рассматривает вопросы происхождения и эволюции небесных тел, в том числе и нашей Земли.
• Космология изучает общие закономерности строения и развития Вселенной.

На основании всех полученных знаний о небесных телах последние два  раздела астрономии решают её третью задачу (происхождение и эволюция небесных тел).

Курс общей астрономии содержит систематическое изложение сведений об основных методах и главнейших результатах, полученных различными разделами  астрономии.

Одним из новых, сформировавшихся только во второй половине XX века, направлений является археоастрономия, которая изучает астрономические познания древних людей и помогает датировать древние сооружения, исходя из явления прецессии Земли.

Звёздная астрономия [править]

Основная статья: Звезда

Планетарная туманность Муравья — Mz3. Выброс газа из умирающей центральной звезды показывает симметричную модель, в отличие от хаотических образов обычных взрывов.

Изучение звёзд и звёздной эволюции имеет фундаментальное значение для нашего понимания Вселенной. Астрономы изучают звёзды с помощью и наблюдений, и теоретических моделей, а сейчас и с помощью компьютерного численного моделирования.

Формирование  звёзд происходит в газопылевых туманностях. Достаточно плотные участки туманностей могут сжиматься силой гравитации, разогреваясь за счёт высвобождаемой при этом потенциальной энергии. Когда температура становится достаточно большой, в ядре протозвезды начинаются термоядерные реакции и она становится звездой^[2].

Почти все элементы, более тяжелые  чем водород и гелий, образуются в звёздах.

Предметы астрономии [править]

• Астрометрия
• Созвездия
• Небесная сфера
• Системы небесных координат
• Время
• Небесная механика
• Астрофизика
• Эволюция звёзд
• Нейтронные звёзды и чёрные дыры
• Галактики
• Млечный путь
• Строение галактик
• Эволюция галактик
• Космология
• Красное смещение
• Реликтовое излучение
• Теория Большого взрыва
• Тёмное вещество
• Тёмная энергия
• История астрономии
• Астрономы
• Любительская астрономия
• Астрономические инструменты
• Астрономические обсерватории
• Астрономические символы
• Освоение космоса
• Планетология
• Космонавтика

Задачи астрономии [править]

Радиотелескопы — одни из множества различных инструментов, используемых астрономами.

Основными задачами астрономии являются^[1]:

1. Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы.
2. Изучение строения небесных тел, исследование химического состава и физических свойств (плотности, температуры и т. п.) вещества в них.
3. Решение проблем происхождения и развития отдельных небесных тел и образуемых ими систем.
4. Изучение наиболее общих свойств Вселенной, построение теории наблюдаемой части Вселенной — Метагалактики.

Решение этих задач требует создания эффективных методов исследования — как теоретических, так и практических. Первая задача решается путём длительных наблюдений, начатых ещё в глубокой древности, а также на основе законов механики, известных уже около 300 лет. Поэтому в этой области астрономии мы располагаем наиболее богатой информацией, особенно для сравнительно близких к Земле небесных тел: Луны, Солнца, планет, астероидови т. д.

Решение второй задачи стало возможным  в связи с появлением спектрального  анализа и фотографии. Изучение физических свойств небесных тел началось во второй половине XIX века, а основных проблем — лишь в последние годы.

Третья задача требует накопления наблюдаемого материала. В настоящее  время таких данных ещё недостаточно для точного описания процесса происхождения  и развития небесных тел и их систем. Поэтому знания в этой области  ограничиваются только общими соображениями  и рядом более или менее  правдоподобных гипотез.

Четвёртая задача является самой масштабной и самой сложной. Практика показывает, что для её решения уже недостаточно существующих физических теорий. Необходимо создание более общей физической теории, способной описывать состояние вещества и физические процессы при предельных значениях плотности, температуры, давления. Для решения этой задачи требуются наблюдательные данные в областях Вселенной, находящихся на расстояниях в несколько миллиардов световых лет. Современные технические возможности не позволяют детально исследовать эти области. Тем не менее, эта задача сейчас является наиболее актуальной и успешно решается астрономами ряда стран, в том числе и России.

История астрономии [править]

Основная статья: История астрономии

Ещё в глубокой древности люди заметили взаимосвязь движения небесных светил по небосводу и периодических  изменений погоды. Астрономия тогда  была основательно перемешана с астрологией. Окончательное выделение научной астрономии произошло в эпоху Возрождения и заняло долгое время.

Астрономия — одна из старейших наук, которая возникла из практических потребностей человечества. По расположению звезд и созвездий первобытные земледельцы определяли наступления времен года. Кочевые племена ориентировались по Солнцу и звездам. Необходимость в летоисчислении привела к созданию календаря. Есть доказательства, что еще доисторические люди знали об основных явлениях, связанных с восходом и заходом Солнца, Луны и некоторых звезд. Периодическая повторяемость затмений Солнца и Луны была известна уже очень давно. Среди древнейших письменных источников встречаются описания астрономических явлений, а также примитивные расчетные схемы для предсказания времени восхода и захода ярких небесных тел и методы отсчета времени и ведения календаря. Астрономия успешно развивалась в Древнем Вавилоне, Египте, Китае и Индии. В китайской летописи описывается затмение Солнца, которое состоялось в 3-м тысячелетии до н. е. Теории, которые на основе развитых арифметики и геометрии объясняли и предсказывали движение Солнца, Луны и ярких планет, были созданы в странах Средиземноморья в последние века дохристианской эры и вместе с простыми, но эффективными приборами, служили практическим целям вплоть до эпохи Возрождения.

Особенно большого развития достигла астрономия в Древней Греции. Пифагор впервые пришел к выводу, что Земля имеет шарообразную форму, а Аристарх Самосский высказал предположение, что Земля вращается вокруг Солнца. Гиппарх во 2 в. до н. е. составил один из первых звездных каталогов. В произведении Птолемея «Альмагест», написанном в 2 ст. н. э., изложены т. н. геоцентрическую систему мира, которая была общепринятой на протяжении почти полутора тысяч лет. В средневековье астрономия достигла значительного развития в странах Востока. В 15 в. Улугбек построил вблизи Самарканда обсерваторию с точными в то время инструментами. Здесь был составлен первый после Гиппарха каталог звёзд. С 16 в. начинается развитие астрономии в Европе. Новые требования выдвигались в связи с развитием торговли и мореплавания и зарождением промышленности, способствовали освобождению науки от влияния религии и привели к ряду крупных открытий.

Рождение современной астрономии связывают с отказом от геоцентрической  системы мира Птолемея (II век) и заменой  ее гелиоцентрической системой Николая Коперника (середина XVI века), с началом исследований небесных тел с помощью телескопа (Галилей, начало XVII века) ​​и открытием закона всемирного притяжения (Исаак Ньютон, конец XVII века). XVIII—XIX века были для астрономии периодом накопления сведений и знаний о Солнечной системе, нашей Галактике и физической природе звезд, Солнца, планет и других космических тел. Появление крупных телескопов и осуществления систематических наблюдений привели к открытию, что Солнце входит в состав огромной дискообразной системы, состоящей из многих миллиардов звезд — галактики. В начале XX века астрономы обнаружили, что эта система является одной из миллионов подобных ей галактик. Открытие других галактик стало толчком для развития внегалактической астрономии. Исследование спектров галактик позволило Эдвину Хабблу в 1929 году выявить явление «разбегания галактик», которое впоследствии получило объяснения на основе общего расширения Вселенной.

В XX веке астрономия разделилась на две основные ветви: наблюдательный и теоретическую. Наблюдательная астрономия сосредоточена на наблюдениях небесных тел, которые затем анализируют  с помощью основных законов физики. Теоретическая астрономия ориентирована  на разработку моделей (аналитических  или компьютерных) для описания астрономических  объектов и явлений. Эти две ветви  дополняют друг друга: теоретическая  астрономия ищет объяснения результатам  наблюдений, а наблюдательный астрономию применяют для подтверждения  теоретических выводов и гипотез.

Научно-техническая революция XX века имела чрезвычайно большое влияние  на развитие астрономии в целом и  особенно астрофизики. Создание оптических и радиотелескопов с высоким  разрешением, применение ракет и  искусственных спутников Земли  для внеатмосферных астрономических  наблюдений привели к открытию новых  видов космических тел: радиогалактик, квазаров, пульсаров, источников рентгеновского излучения и т. д.. Были разработаны основы теории эволюции звезд и космогонии Солнечной системы. Достижением астрофизики XX века стала релятивистская космология — теория эволюции Вселенной в целом.

2009 год был объявлен ООН Международным  годом астрономии (IYA2009). Основной  упор делается на повышении  общественной заинтересованности  и понимании астрономии. Это одна  из немногих наук, где непрофессионалы  все еще ​​могут играть активную  роль. Любительская астрономия внесла  свой ​​вклад в ряд важных  астрономических открытий.

Астрономические наблюдения [править]

В астрономии информация в основном получается от выявления и анализа  видимого света и других спектров электромагнитного излучения в  космосе^[3]. Астрономические наблюдения могут быть разделены в соответствии с области электромагнитного спектра, в которой проводятся измерения. Некоторые части спектра можно наблюдать с Земли (то есть ее поверхности), а другие наблюдения ведутся только на больших высотах или в космосе (в космических аппаратах на орбите Земли). Подробные сведения об этих группах исследований приведены ниже.

Оптическая астрономия [править]

Основная статья: Оптическая астрономия

Исторически оптическая астрономия (которую  еще называют астрономией видимого света) является древнейшей формой исследования космоса — астрономии^[4]. Оптические изображение сначала были нарисованы от руки. В конце XIX века и большей части ХХ века, исследования осуществлялись на основе изображений, которые получали с помощью фотографий, сделанных на фотографическом оборудовании. Современные изображения получают с использованием цифровых детекторов, в частности детекторы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Хотя видимый свет охватывает диапазон примерно от 4000 Ǻ до 7000 Ǻ (400—700 нанометров)^[4], применяемого оборудования в этом диапазоне, можно применить и для исследования близких ему ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов.

Инфракрасная астрономия [править]

Основная статья: Инфракрасная астрономия

Инфракрасный космический телескоп «Гершель»

Инфракрасная астрономия касается исследований, выявления и анализа  инфракрасного излучения в космосе. Хотя длина волны его близка к  длине волны видимого света, инфракрасное излучение сильно поглощается атмосферой, кроме того, атмосфера Земли имеет  значительное инфракрасное излучение. Поэтому обсерватории для изучения инфракрасного излучения должны быть расположены на высоких и  сухих местах или в космосе. Инфракрасный спектр полезен для изучения объектов, которые являются слишком холодными, чтобы излучать видимый свет таких  объектов, как планеты и вокруг звездные диски. Инфракрасные лучи могут  проходить через облака пыли, поглощающие  видимый свет, что позволяет наблюдать  молодые звезды в молекулярных облаках  и ядер галактик^[5]. Некоторые молекулы мощно излучают в инфракрасном диапазоне, и это может быть использовано для изучения химических процессов в космосе (например, для выявления воды в кометах)^[6].

Ультрафиолетовая астрономия [править]

Основная статья: Ультрафиолетовая астрономия

Ультрафиолетовая астрономия в  основном применяется для детального наблюдения в ультрафиолетовых длинах волн примерно от 100 до 3200 Ǻ (от 10 до 320 нанометров)^[7]. Свет на этих длинах волн поглощается атмосферой Земли, поэтому исследование этого диапазона выполняют из верхних слоев атмосферы или из космоса. Ультрафиолетовая астрономия лучше подходит для изучения горячих звезд (ОФ звезды), поскольку основная часть излучения приходится именно на этот диапазон. Сюда относятся исследования голубых звезд в других галактиках и планетарных туманностей, остатков сверхновых, активных галактических ядер. Однако ультрафиолетовое излучение легко поглощается межзвездной пылью, поэтому во время измерения следует делать поправку на наличие последней в космической среде.

Радиоастрономия [править]

Основная статья: Радиоастрономия

Сверхбольшой массив радиотелескопов (англ. Very Large Array) в Сирокко , Нью-Мексико , США

Радиоастрономия — это исследование излучения с длиной волны, большей чем один миллиметр (примерно)^[7]. Радиоастрономия отличается от большинства других видов астрономических наблюдений тем, что исследуемые радиоволны можно рассматривать именно как волны, а не как отдельные фотоны. Итак, можно измерить как амплитуду, так и фазу радиоволны, а это не так легко сделать на диапазонах коротких волн^[7].

Хотя некоторые радиоволны излучаются астрономическими объектами в виде теплового излучения, большинство  радиоизлучения, наблюдаемого с Земли, является по происхождению синхротронным  излучением, которое возникает, когда  электроны движутся в магнитном  поле^[7]. Кроме того, некоторые спектральные линии образуются межзвездным газом, в частности спектральная линия нейтрального водорода длиной 21 см^[7].

В радиодиапазоне наблюдается широкое  разнообразие космических объектов, в частности сверхновые звезды, межзвездный  газ, пульсары и активные ядра галактик^[7].

Рентгеновская астрономия [править]

Основная статья: Рентгеновская астрономия

Рентгеновская астрономия изучает  астрономические объекты в рентгеновском  диапазоне. Обычно объекты излучают рентгеновское излучение благодаря:

• синхротронному механизму (релятивистские электроны, движущиеся в магнитных полях)
• тепловое излучение от тонких слоёв газа, нагретых выше 10⁷ K (10 миллионов кельвинов — так называемое тормозное излучение);
• тепловое излучение массивных газовых тел, нагретых свыше 10⁷ K (так называемое излучение абсолютно черного тела)^[7].

Поскольку рентгеновское излучение  поглощается атмосферой Земли, рентгеновские  наблюдения в основном выполняют  из орбитальных станций, ракет или  космических кораблей. К известным  рентгеновским источникам в космосе  относятся: рентгеновские двойные  звезды, пульсары, остатки сверхновых, эллиптические галактики, скопления  галактик, а также активные ядра галактик^[7].

Гамма-астрономия [править]

Основная статья: Гамма-астрономия

Астрономические гамма-лучи появляются в исследованиях астрономических  объектов с короткой длиной волны  электромагнитного спектра. Гамма-лучи могут наблюдаться непосредственно  такими спутниками, как Телескоп Комптон или специализированные телескопы, которые называются атмосферные телескопы Черенкова. Эти телескопы фактически не измеряют гамма-лучи непосредственно, а фиксируют вспышки видимого света, образующиеся при поглощении гамма-лучей атмосферой Земли, вследствие различных физических процессов, происходящих с заряженными частицами, которые возникают при поглощении, вроде эффекта Комптона или черенковского излучения^[8].

Большинство источников гамма-излучения  является фактически источниками гамма-всплесков, которые излучают только гамма-лучи в течение короткого промежутка времени от нескольких миллисекунд  до тысячи секунд, прежде чем развеяться в пространстве космоса. Только 10% от источников гамма-излучения не является переходным источниками. Стационарные гамма-источники включают пульсары, нейтронные звезды и кандидаты на черные дыры в активных галактических  ядрах^[7].

Астрономия полей, которые  не основываются на электромагнитном спектре [править]

К Земле, исходя из очень больших  расстояний, попадает не только электромагнитное излучение, но и другие типы элементарных частиц.

В нейтринной астрономии используют специальные подземные объекты такие, как SAGE, GALLEX и Камиока II / III для выявления нейтрино^[7]. Эти нейтрино приходят главным образом от Солнца или звезд, но также от сверхновых. Космические лучи, состоящие из частиц очень высокой энергии, которые могут распадаться или поглощаться, входя в атмосферу Земли, в результате чего возникают каскады вторичных частиц, могут быть детектиованы современными обсерваториями^[9]. Кроме того, некоторые будущие детекторы нейтрино будут также непосредственно чувствительны к нейтрино, рожденных, когда космические лучи попадают в атмосферу Земли^[7].

Новым направлением в разновидности  методов астрономии может стать  гравитационно-волновая астрономия, которая  стремится использовать детекторы  гравитационных волн для сбора данных наблюдений о компактные объекты. Несколько  обсерваторий уже построено, например, лазерный интерферометр гравитационной обсерватории LIGO, но гравитационные волны  очень трудно обнаружить, и они  до сих пор остаются неуловимыми^[10].

Планетарная астрономия использует также  непосредственное изучение с помощью  космических кораблей и исследовательских  миссий типа «по образцам и обратно» (Sample Return). К ним относятся полеты миссий с использованием датчиков; спускных аппаратов, которые могут  проводить эксперименты на поверхности  объектов, а также позволяют осуществлять удаленное зондирование материалов или объектов и миссии доставки на Землю образцов для прямых лабораторных исследований.

Астрометрия и небесная механика [править]

Основные статьи: Астрометрия, небесная механика

Один из старейших подразделов  астрономии, занимается измерениями  положения небесных объектов. Эта  отрасль астрономии называется астрометрией. Исторически точные знания о расположении Солнца, Луны, планет и звезд играют чрезвычайно важную роль в навигации. Тщательные измерения расположения планет привели к глубокому пониманию  гравитационных возмущений, что позволило  с высокой точностью определять их расположение в прошлом и предусматривать  на будущее. Эта отрасль известна как небесная механика. Сейчас отслеживания околоземных объектов позволяет  прогнозирования сближения с  ними, а также возможные столкновения различных объектов с Землей^[11].

Измерения звездных параллаксов ближайших  звёзд является фундаментом для  определения расстояний в дальнем  космосе, который применяется для  измерения масштабов Вселенной. Эти измерения обеспечили основу для определения свойств отдаленных звезд; свойства могут быть сопоставлены с соседними звёздами. Измерения  лучевых скоростей и собственных  движений небесных тел позволяет  исследовать кинематику этих систем в нашей галактике. Астрометрические результаты могут использоваться для измерения распределения темной материи в галактике^[12].

В 1990-х годах астрометрические методы измерения звездных колебаний были применены для обнаружения крупных  внесолнечных планет (планет на орбитах  соседних звёзд)^[13].

Внеатмосферная астрономия [править]

Исследования с помощью космической  техники занимают особое место среди  методов изучения небесных тел и  космической среды. Начало было положено запуском в СССР в 1957 году первого  в мире искусственного спутника Земли. Космические аппараты позволили  проводить исследования во всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения. Поэтому современную астрономию часто называют всеволновой. Внеатмосферные наблюдения позволяют принимать  в космосе излучения, которые  поглощает или очень меняет земная атмосфера: радиоизлучения некоторых  длин волн, не доходят до Земли, а  также корпускулярные излучения  Солнца и других тел. Исследование этих, ранее недоступных видов излучения  звезд и туманностей, межпланетной и межзвездной среды очень  обогатили наши знания о физических процессах Вселенной. В частности, было открыто неизвестные ранее  источники рентгеновского излучения — рентгеновские пульсары. Много информации о природе отдаленных от нас тел и их систем также одержана благодаря исследованиям, выполненным с помощью установленных спектрографов на различных космических аппаратах.