Основной способ изучения астрономии

Методы исследования в астрономии

Методы астрономических исследований

Компоненты мегамира

Космос (мегамир) – весь мир, окружающий планету Земля.

Весь космос мы наблюдать не можем по ряду причин (техническим: разбегание галактик → свет не успевает долететь).

Вселенная – часть космоса, доступная наблюдению.

Космология – изучает строение, происхождение, эволюцию и будущую судьбу Вселенной в целом.

Основу этой дисциплины составляют астрономия, физика и математика.

Астрономия (буквально – наука о поведении звезд) – более узкая отрасль космологии (наиболее важная!) – наука о строении и развитии всех космических тел.

Методы исследования в астрономии

В астрономии непосредственно можно наблюдать только объекты, испускающие электромагнитное излучение , в том числе свет.

Основную информацию получают при использовании оптических приборов.

1. Оптическая астрономия – изучает видимые (т.е. светящиеся) объекты.

Наблюдаемая, или светящаяся, материя либо сама испускает видимый свет в результате идущих внутри нее процессов (звезды), либо отражает падающие лучи (планеты Солнечной системы, туманности).

В 1608 г. Г. Галилей направил на небо свою простую подзорную трубу, совершив тем самым революцию в области астрономических наблюдений. Сейчас астрономические наблюдения проводят с помощью телескопов.

Оптические телескопы бывают 2-х типов: рефракторные (свет собирает линза → необходимы большие линзы, которые могут гнуться под собственным весом → искажение изображения) и рефлекторные (свет собирает зеркало, таких проблем нет → большинство профессиональных телескопов — рефлекторы).

В современных телескопах человеческий глаз заменен фотопластинками или цифровыми камерами, которые в состоянии аккумулировать световой поток на протяжении больших временных промежутков, что позволяет обнаруживать еще более мелкие объекты.

Телескопы устанавливаются на высоких горных вершинах, где в наименьшей степени сказывается влияние атмосферы и света больших городов на изображение. Поэтому сегодня большая часть профессиональных телескопов сконцентрирована в обсерваториях, которых не так много: в Андах, на Канарских о-вах, на гавайских вулканах (4205 м над ур. моря, на потухшем вулкане – самая высокая обсерватория в мире) и в некоторых особо изолированных местах Соединенных Штатов и Австралии.

Благодаря международным соглашениям, стрáны, в которых нет подходящих для установки телескопов мест, могут установить свою аппаратуру в местах с такими условиями.

Самый крупный телескоп – строится в Чили Южно-Европейской обсерваторией (включает систему из 4 телескопов диаметром 8,2 м каждый).

В 1990 г. на орбиту выведен оптический телескоп «Хаббл» (США) (h = 560 км).

Его длина – 13,3 м, ширина – 12 м, зеркало диаметром 2,4 м, общая масса – 11 т,

Благодаря ему получено глубокое, никогда ранее недостижимое изображение звездного неба, наблюдались планетарные системы в стадии формирования, получены данные о существовании огромных черных дыр в центрах разных галактик. Телескоп должен закончить работу к 2005 г; сейчас запущен другой более современный.

2. Неоптическая астрономия – изучает объекты, испускающие ЭМ-излучение за рамками видимого света.

Электромагнитное излучение – форма электрической и магнитной энергии, которая распространяется в космосе со скоростью света. Единица измерения – длина волны (м).

ЭМ-спектр условно разделен на полосы, характеризующиеся определенным интервалом длин волн. Четкие границы между диапазонами определить нельзя, т.к. они часто перекрывают друг друга.

Аппаратура для неоптической астрономии сильно отличается от традиционных телескопов (больше напоминает счетчики частиц, чем телескопы) и в большинстве случаев находится на борту спутников на орбите Земли, т.к. земная атмосфера поглощает почти всё электромагнитное излучение, идущее из космоса, кроме видимого. → на Земле объекты, испускающие это ЭМ-излучение нельзя зафиксировать.

Такая аппаратура используется с 1930-х гг. Первый искусственный спутник Земли с астрономической аппаратурой был запущен в 1957 г. СССР. Помимо астрономических, спутники выполняют военные, экологические, телекоммуникационные и др. задачи.

В соответствии с участками ЭМ-спектра выделились разные разделы неоптической астрономии:

Ø Радиоастрономия фиксирует радиоизлучение (ДВ).

Радиотелескоп состоит из трех частей : параболической антенны, усилителя сигналов и системы анализа и регистрации данных. Диаметр антенны обычно составляет десятки метров (до 300 м), ее можно перенаправлять в желаемом направлении неба.

Радиотелескопы чувствительнее самых мощных оптических телескопов

в 2 раза → возможность изучения очень удаленных объектов (2-3 млрд. световых лет.).

Ø Инфракрасная астрономия . Телескопы для наблюдения в ИК-диапазоне устанавливают на большой высоте: на воздушных шарах, самолетах или чаще всего на спутниках. При помощи таких телескопов наблюдают относительно холодные объекты (планеты, пылевые облака).

Ø Ультрафиолетовая астрономия . Наблюдения почти полностью ведутся в космосе. Благодаря УФ-астрономии открыта потеря материи звездами в виде звездного ветра, подтверждены выбросы водяного пара кометами и мн. др.

Ø Рентгеновская астрономия . Наблюдения также ведутся в космосе. Благодаря такой аппаратуре было открыто рентгеновское излучение Солнца и зарегистрировано

350 космических источников рентгеновских лучей во Вселенной (пульсары и т.п.).

Ø Гамма-астрономия . В 1991 г. на орбиту запущен спутник, предназначенный для различных экспериментов в гамма-астрономии. Благодаря такой аппаратуре установлено диффузное излучение нашей Галактики и выявлены ядра галактик с особо интенсивным излучением.

3. Нейтринная астрономия – изучение процессов, происходящих в звездах, с помощью фиксации элементарных частиц нейтрино.

Нейтрино излучаются всеми звездами в результате ядерных реакций → это источник информации о процессах в космических телах.

Нейтрино – элементарные частицы, не имеющие электрического заряда. Пока не ясен вопрос, имеют ли эти частицы массу (если да, то она очень маленькая, меньше 1/25000 массы электрона). Рождающиеся в Солнце нейтрино попадают на Землю в заметном количестве. Через 1 см 2 земной поверхности постоянно проходят миллиарды нейтрино. Образовавшиеся в центре Солнца нейтрино не поглощаются окружающей материей, поэтому они способны очень быстро достичь Земли. С Земли можно обнаружить только «солнечные» нейтрино.

Для обнаружения нейтрино используют огромные баки с тетрахлорэтиленом. Атомы Cl, взаимодействуя с нейтрино, могут превращаться в Ar, тем самым обнаруживая попадание нейтрино. Чтобы избежать неожиданного проникновения посторонних сигналов в результате прохода частиц других типов, ловушки для нейтрино устанавливают высоко в горах (на высоте 1,5 км – Баксанское ущелье на Кавказе) или на морском дне. Однако и в этих огромных аппаратах выявляется всего несколько частиц в сутки.

4. Изучение объектов Солнечной системы. Осуществляется с помощью дистанционных лабораторий на борту автоматических межпланетных станций (с 1960-х гг.) – сейчас исследованы все планеты, кроме Плутона.

При запуске таких лабораторий стараются рассчитать моменты, когда хотя бы 2 планеты должны выстроиться на своих орбитах в линию («парад планет»), чтобы сэкономить и отправить зонд сразу на несколько планет.

Для исследования Плутона готовится зонд; но чтобы долететь до пункта назначения, ему потребуется почти 12 лет при скорости 18 км/с.

Источник

Основной способ изучения астрономии

Основным способом исследования небесных объектов и явлений служат астрономические наблюдения. Астрономические наблюдения — это целенаправленная и активная регистрация информации о процессах и явлениях, происходящих во Вселенной. Такие наблюдения выступают основным источником знаний на эмпирическом уровне.

На протяжении тысячелетий астрономы изучали положение небесных объектов на звездном небе и их взаимное перемещение с течением времени. Точные измерения положений звезд, планет и других небесных тел дают материал для определения расстояний до них и их размеров, а также для изучения законов их движения. Результатами угломерных измерений пользуются в практической астрономии, небесной механике, звездной астрономии.

Для проведения астрономических наблюдений и их обработки во многих странах созданы специальные научно-исследовательские учреждения —астрономические обсерватории.

Для выполнения астрономических наблюдений и обработки полученных данных в современных обсерваториях используют наблюдательные инструменты (телескопы), светоприемную и анализирующую аппаратуру, вспомогательные приборы для наблюдений, электронно-вычислительную технику и др.

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

После Второй мировой войны начала бурно развиваться радиофизика (физика радиоволн). Усовершенствованные приемники, антенны и оставшиеся после войны радиолокаторы могли принимать радиоизлучение Солнца и далеких космических объектов. Так воз-никла радиоастрономия — одна из ветвей астрофизики. Внедрение радионаблюдений в астрономию обогатило ее множеством выдающихся открытий.

Новым импульсом в развитии астрономических наблюдений явился выход космических аппаратов и человека в космос. Научные приборы и телескопы, установленные на космических аппаратах, позволили исследовать ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение Солнца, других звезд и галактик. Эти наблюдения за пределами земной атмосферы, поглощающей коротковолновое излучение, необычайно расширили объем информации о физической природе небесных тел и их систем.

В исследовании природы небесных тел большое внимание уделяется изучению их электромагнитного излучения. Небесные тела в зависимости от своего физического состояния излучают электромагнитные волны различной длины. В вакууме электромагнитные волны всегда распространяются с одинаковой скоростью с = 3 × 108 м/с. Очень важным свойством электромагнитного излучения является то, что скорость его распространения не зависит ни от длины волны, ни от скорости движения источника. Волна характеризуется частотой v и длиной λ, между которыми существует зависимость:с = vλ.

Электромагнитные волны, имеющие разную длину волны, взаимодействуют с веществом по-разному. Соответственно методы исследования электромагнитного излучения отличаются. В связи с этим электромагнитное излучение условно делится на несколько диапазонов.

Излучение с длиной волны от 390 до 760 нм человеческий глаз воспринимает как свет, причем разным длинам волн соответствуют разные цвета (от фиолетового до красного). Для обнаружения излучения в других диапазонах требуются специальные приборы.

В зависимости от своего физического состояния одни небесные тела излучают энергию в узких интервалах частот спектра электромагнитных волн (например, светлые газовые туманности), другие − во всем его диапазоне: от гамма-лучей до радиоволн включительно (например, звезды). Изучение физической природы небесных тел в широком диапазоне электромагнитного излучения привело к появлению в науке следующих разделов: гамма-астрономия, рентгеновская астрономия, инфракрасная астрономия, радиоастрономия и др. Изучение электромагнитных волн, испускаемых небесными телами, затрудняется из-за того, что атмосфера Земли пропускает излучение лишь в определенных диапазонах длин волн: от 300 до 1000 нм, от 1 см до 20 м и в нескольких «окнах» инфракрасного диапазона.

Сильнее всего земная атмосфера поглощает коротковолновую область диапазона электромагнитного излучения: ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Наблюдения в этих диапазонах возможны только с помощью приборов, поднятых на большую высоту (на самолетах или зондах) либо установленных на межпланетных космических станциях, комплексах, искусственных спутниках Земли и ракетах.

Источник

Методы астрономии

Вы будете перенаправлены на Автор24

Среди методов астрономии, иначе методов астрономических исследований, можно выделить три основных группы:

• наблюдения,
• измерения,
• космический эксперимент.

Сделаем небольшой обзор этих методов.

Астрономические наблюдения

Астрономические наблюдения — это основной способ исследования небесных тел и событий. Именно с их помощью регистрируется то, что происходит в ближнем и дальнем космосе. Астрономические наблюдения — главный источник знания, полученного экспериментальным путём

Астрономические наблюдения и обработка их данных, как правило, проводятся в специализированных научно-исследовательские учреждениях (астрономических обсерваториях).

Первая российская обсерватория была построена в Пулково, под Санкт-Петербургом. Составление звезд каталогов звезд, имеющих высочайшую точность, заслуга Пулковской обсерватории. Можно сказать, что во второй половине 19 века, негласно, ей было присвоено звание «астрономической столицы мира», а в 1884 году Пулково претендовало на нулевой меридиан (победил Гринвич).

Современные обсерватории оснащены наблюдательными инструментами (телескопами), светоприёмной и анализирующей аппаратурой, различными вспомогательными приборами, высокопроизводительными ЭВМ и т.д.

Остановимся на особенностях астрономических наблюдений:

• Особенность №1. Наблюдения весьма инертны, поэтому, как правило, для них требуется достаточно длительные сроки. Активное влияние на космические объекты, за редкими исключениями которые даёт пилотируемая и непилотируемая космонавтика, затруднено. В основном, многие явления, взять хотя бы трансформирование угла наклона оси Земли к орбитальной плоскости, могут быть зафиксированы лишь благодаря наблюдениям на протяжении нескольких тысяч лет. Следовательно, астрономическое наследие Вавилона и Китая тысячелетней давности, несмотря на некоторые несоответствия современным требованиям, до сих пор актуально.
• Особенность №2. Процесс наблюдения, как правило, происходит с земной поверхности, в тоже время Земля осуществляет сложное движение, поэтому земной наблюдатель видит только определённый участок звёздного неба.
• Особенность №3. Угловые измерения, выполняемые на основе наблюдений, являются основой для расчетов, определяющих линейные размеры объектов и расстояния до них. А так как угловые размеры звёзд и планет, измеряемые с помощью оптики, не зависят от расстояния до них, расчеты могут быть довольно неточными.

Готовые работы на аналогичную тему

Основной инструмент астрономических наблюдений — оптический телескоп.

Оптической телескоп обладает принципом действия, определяемым его типом. Но независимо от вида, главная его цель и задача заключается в сборе максимального количества света, испускаемого светящимися объектами (звёздами, планетами, кометами и др.), для создания их изображений.

Виды оптических телескопов:

• рефракторы (линзовые),
• рефлекторы (зеркальные),
• а также зеркально-линзовые.

В рефракторном (линзовом) телескопе, изображение достигается результатом преломления света в линзе объектива. Недостаток рефракторов — ошибка в результате размытости изображения.

Особенность рефлекторов — использование в астрофизике. В них главное не то, как свет преломляется, а как отражается. Они совершеннее линзовых, и более точны.

Зеркально-линзовые телескопы сочетают в себе функции рефракторов и рефлекторов.

Рисунок 1. Малый оптический телескоп. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Астрономические измерения

Так как измерения в астрономических исследованиях осуществляются с помощью различных приборов и инструментов, проведём их короткий обзор.

Основные из астрономических измерительных приборов — это координатно-измерительные машины.

Данные машины измеряют одну или две прямоугольные координаты с фотографического изображения или диаграммы спектра. Координатно-измерительные машины оснащены столом, на который помещаются фото и микроскопом с измерительными функциями, применяемым для наводки на светящееся тело или его спектр. Современные приборы могут иметь точность отсчёта до 1 мкм.

В процессе измерения могут возникнуть ошибки:

• самого инструмента,
• оператора (человеческий фактор),
• произвольные.

Ошибки инструмента возникают от его несовершенства, следовательно, должна быть, предварительно осуществлена, его проверка на точность. В частности, проверке подлежат: шкалы, микрометрические винты, направляющие на предметном столе и измерительном микроскопе, отсчётные микрометры.

Ошибки, связанные с человеческим фактором и случайностью, купируются кратностью измерений.

В астрономических измерениях происходит широкое внедрение автоматических и полуавтоматических измерительных приборов.

Автоматические приборы работают на порядок быстрее обычных, и имеют в два раза меньшую среднюю квадратическую ошибку.

Космический эксперимент

Космический эксперимент — это множество связанных между собой взаимодействий и наблюдений, дающих возможность получения необходимой информации об исследуемом небесном теле или явлении, осуществляемых в космическом полете (пилотируемом или непилотируемом) с целью подтверждения теорий, гипотез, а также совершенствования различных технологий, могущих принести вклад в развитие научных знаний.

Основные тенденции экспериментов в космосе:

1. Изучение протекания физико-химические процессов и поведения материалов в космическом пространстве.
2. Изучение свойств и поведения небесных тел.
3. Влияние космоса на человека.
4. Подтверждение теорий космической биологии и биотехнологии.
5. Пути освоения космического пространства.

Здесь уместно привести примеры экспериментов, проводимых на МКС российскими космонавтами.

Эксперимент по выращиванию растений (Veg-01).

Задача эксперимента – изучить поведение растений в орбитальных условиях.

Эксперимент «Плазменный кристалл» — изучение плазменно-пылевых кристаллов и жидких веществ при микро гравитационных параметрах.

Было проведено четыре его этапа:

1. Исследовалась плазменно-пылевая структура в газоразрядной плазме при высокочастотном емкостном разряде.
2. Исследовалась плазменно-пылевая структура в плазме при тлеющем разряде с постоянным током.
3. Исследовалось как воздействует ультрафиолетовый спектр космического излучения на макрочастицы, которые могут быть заряжены фотоэмиссией.
4. Исследовались плазменно-пылевые структуры в открытом космосе при действии солнечного ультрафиолета и ионизирующего излучения.

Рисунок 2. Эксперимент «Плазменный кристалл». Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

А всего российскими космонавтами на МКС было проведено более 100 космических экспериментов.

Источник