Все знают, что астрономы изучают небо. Но какие виды измерений они производят, и как они преобразуются в данные, которые могут быть проанализированы для понимания Вселенной? Эта статья знакомит с астрономическими наблюдениями в смежных областях (например, в машиностроении, статистике, информатике), которые, как предполагается, знакомы с количественными измерениями и вычислениями, но не обязательно с самой астрономией.
Статья посвящена астрономическим наблюдениям за электромагнитным излучением. Электромагнитное излучение рассматривается двумя взаимодополняющими способами: как волны, характеризующиеся длиной волны λ или частотой ν, или частицы, называемые фотонами, характеризующиеся их энергией.
Излучение с малой длиной волны состоит из фотонов с большой энергией и наоборот. Различным типам электромагнитного излучения даются разные названия, включая "рентген", "ультрафиолетовое", "инфракрасное" и "радио", но это принципиально одно и то же физическое явление и одинаковое теоретическое понимание применимо ко всем.
Объекты, изучаемые астрономами, включая звезды, планеты, туманности и галактики, производят излучение различными способами в зависимости от их физических свойств (например, состава, плотности, температуры) и окружающей среды. Это означает, что они будут испускать разное количество излучения на разных длинах волн. Это излучение модифицируется на пути на Землю путем взаимодействия с промежуточным газом и пылью: межзвездным материалом, находящимся между звездами, но внутри галактик, и межгалактическим материалом, находящимся между галактиками.
Процессы взаимодействия включают поглощение, при котором излучение передает энергию материю, и рассеяние, при котором излучение изменяет направление. Для объектов, находящихся далеко за пределами нашей собственной галактики Млечного Пути, излучение также подвергается красному смещению, т.е. смещению на большие длины волн или меньшие частоты, вследствие расширения Вселенной.
Измерение излучения от астрономических объектов и интерпретация этих измерений - вот что делают астрофизики-наблюдатели. Разработка физических моделей для прогнозирования и объяснения радиации, обнаруженной от астрофизических объектов, является прерогативой теоретиков-астрофизиков. Для объектов, излучающих во всех направлениях (большинство, но не все астрофизические объекты), полученная интенсивность уменьшается с квадратом расстояния от источника. Лишь малая часть излучения от астрофизического объекта направлена в нашу сторону, а для более удаленных объектов эта часть меньше. Астрономические наблюдатели очень часто работают в режиме "сигнал-шум", на самом краю обнаруживаемости.
Астрономические наблюдения почти всегда пассивны, мы не имеем возможности непосредственно манипулировать или экспериментировать с интересующими нас объектами. В большинстве случаев мы полагаемся на излучение, исходящее от этих объектов, достигающих наших телескопов. Это отличается от активного дистанционного зондирования, например гидролокатора или радара, когда излучение передается на объект и рассеивается или отражается обратно для обнаружения.
Активное зондирование за пределами Земли ограничивается радиолокационными исследованиями объектов Солнечной системы: объекты за пределами Солнечной системы находятся слишком далеко, чтобы сигнал мог возвращаться обнаруживаемым образом или в течение разумного периода времени! Прямой физический контакт с интересующим объектом происходит лишь в нескольких ситуациях внутри Солнечной системы.
Чаще всего метеориты падают на Землю из космоса; в ходе полетов космических аппаратов также было получено несколько образцов с поверхностей твердых тел или частиц, собранных с солнечного ветра. Вместо "наблюдательной астрономии" такие исследования обычно называются "планетарными науками" (метеориты и твердые тела) или "космической физикой" (солнечный ветер).
Телескопы и оптика
Фундаментальным измерением, которое проводит астроном, является количество излучения с неба в зависимости от направления, времени, длины волны или частоты, а также поляризации. Долгая история астрономических измерений началась с наблюдений, сделанных человеческим глазом и мозгом, а затем была дополнена такими архитектурными сооружениями, как Стоунхендж, или устройствами, как секстант. Изобретение и внедрение телескопа преобразовало астрономию.
Самое важное назначение астрономических телескопов - действовать как "световое ведро". Во время ливня ведро с большим верхним отверстием будет собирать больше дождя. Аналогичным образом, скорость, с которой телескоп может собирать фотоны с определенного направления в небе, зависит от диаметра его главного зеркала или объектива (его диафрагмы D) и пропорциональна D2. По мере увеличения числа фотонов, обнаруженных из астрономического источника, уменьшается неопределенность соответствующих измерений.
Поскольку астрономические объекты находятся далеко, лишь небольшое количество их излучения доходит до нас; каждый последний фотон может быть важным. Использование больших телескопов позволяет нам собирать больше фотонов, что позволяет нам быстрее обнаруживать более слабые объекты или более тонко разделять (например, по времени или длине волны) свет, получаемый от более ярких объектов.
Земля и ее атмосфера встают на пути: обсерватории и небо
Наблюдения с телескопами, расположенными на поверхности Земли, подвержены влиянию атмосферы. Турбулентность вызывает преломление излучения, которое слегка меняет свое направление. Суммарный эффект этих незначительных изменений заключается в размывании изображений астрономических источников таким образом, что их угловые размеры превышают размеры, которые были бы без атмосферы. Это явление, называемое зрением, определяет пространственное разрешение наземных инфракрасных телескопов и телескопов видимого света с размерами более 10 см.
Зрение измеряется путем измерения полной ширины полосы пропускания на половине максимума точечного источника Размытость, вызванная зрением, не только увеличивает угловой размер точечных источников, но и рассеивает свет от объектов с угловым размером больше, чем пространственное разрешение. Это снижает уровень шума от сигнала к шуму при измерениях и способность телескопов видеть детали.
На зрение влияют погодные условия и воздушный поток над поверхностью Земли, поэтому оно зависит от местоположения: профессиональные телескопы устанавливаются в местах, где климат и рельеф местности в совокупности обеспечивают очень хорошее зрение, таких как Маунакеа на Гавайях или пустыня Атакама в Чили. Видение также меняется в зависимости от времени и направления в небе, часто ежеминутно. Космические телескопы находятся за пределами земной атмосферы и не подвержены влиянию зрения.
Это одна из основных причин, по которой космический телескоп Хаббла является таким важным объектом на протяжении своего нынешнего более чем 20-летнего срока службы. Хаббл не является самым большим телескопом видимого света, и он ничуть не ближе к астрономическим объектам, но, находясь выше атмосферы, улучшает свое пространственное разрешение, что является невероятно полезным.
Выводы
Астрономические наблюдения являются одним из основных способов понимания Вселенной за пределами Земли. Огромные расстояния между исследуемыми объектами означают, что мы получаем от них лишь небольшое количество излучения, и технические проблемы, связанные с измерением этого излучения и превращением его в знания, весьма значительны. Максимальное повышение эффективности астрономических средств требует применения самых современных технологий как в измерительной технике, так и в расчетах.
На протяжении столетий видимый свет был единственным источником информации о Вселенной для астрономов. В двадцатом веке астрономия, основанная на наблюдениях, достигла зрелости в использовании других форм электромагнитного излучения и начала изучать других посланников космоса. Обсерватории частиц и гравитационно-волновых наблюдений (иногда называемые "мульти-мессенджерной астрофизикой" ) только начинают давать новую информацию, недоступную другими способами. Астрономам повезло, что они смогли расширить наши знания, используя эти методы, следующее поколение электромагнитных обсерваторий и новые подходы к пониманию информации, которую они производят. В прошлом каждый новый метод или режим наблюдений приводил к новым открытиям, и мы можем надеяться, что будущие новые объекты дадут не менее захватывающие результаты.
