Предмет и задачи астрономии
Астрономия —фундаментальная наука, которая изучает строение, движение, происхождение и развитие небесных тел, их систем и всей Вселенной в целом.
Термин «астрономия» происходит от двух древнегреческих слов: «астрон» — звезда, и «номос» — наука.
Астрономия тесно связана с другими естественными науками. Например, с физикой — наукой об общих свойствах и законах природы. Астрономия использует физические знания для объяснения явлений и процессов, происходящих во Вселенной, и создания астрономических приборов. Физика использует астрономические знания для проверки своих теорий и открытий новых законов природы. Наука астрофизика изучает физическую природу небесных тел и небесных явлений. Химия — наука о веществе и его превращениях — позволяет установить состав космических тел и понять причину некоторых физических явлений в звёздах, планетах, туманностях. Биология — наука о живом. Вся жизнь на Земле зависит от протекания космических процессов, например, тепла и света, излучаемых Солнцем. Астрономия тесно связана с географией, ориентация на местности и измерение времени основаны на астрономических наблюдениях. Учёные-историки иногда обращаются к астрономам для уточнения дат исторических событий.
Астрономия — исторически первая наука, во многом стимулировавшая появление и развитие математических знаний. А без них невозможно ориентироваться в путешествиях и составлять календари. Для описания движения небесных тел и происходящих во Вселенной процессов астрономы решают сложные математические задачи.
Астрономия использовалась раньше и используется сейчас для:
• определения точных географических координат населённых пунктов и составления точных географических атласов;
• ориентирования на суше, в море и в космосе (по Полярной звезде, по Солнцу и Луне, по ярким, навигационным звёздам и созвездиям);
• вычисления наступления морских приливов и отливов (зависят от движения Луны);
• составления календаря и хранения точного времени;
• определения даты создания древних сооружений;
• в космонавтике для расчёта траекторий движения космических станций и кораблей (а от работы спутников зависят телевидение, мобильная связь, составление прогноза погоды, слежение за пожарами, изучение перемещения айсбергов и рыб, тёплых и холодных течений и т.д.);
• определения координат звёзд и других космических тел, составление каталогов звёзд;
• вычисления траекторий движения новых открытых небесных объектов — комет, астероидов, планетоидов.
• для расчёта наступления различных небесных явлений и т.д.
Основными задачами астрономии являются:
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, астероидов и 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
Методы астрономии
Астрономические наблюдения — то целенаправленная и активная регистрация информации о процессах и явлениях, происходящих во Вселенной.
С древних времён и до настоящего времени сведения о том, что происходит за пределами Земли в космическом пространстве, учёные главным образом получают на основе приходящего от этих объектов света и других видов излучения, то есть наблюдения — это основной источник информации в астрономии. Эта первая особенность астрономии отличает её от других естественных наук (например, физики или химии), где главную роль играют опыты, эксперименты. Возможности проведения экспериментов за пределами Земли появились лишь благодаря космонавтике. Но и в этих случаях речь идёт о проведении экспериментальных исследований небольшого масштаба, таких, например, как изучение химического состава лунных или марсианских пород, изучение поверхности астероидов или комет.
Второй особенностью астрономии является то, что большинство изучаемых явлений непосредственно наблюдать невозможно. Даже изменения, происходящие на Солнце, на Земле регистрируются примерно через 8 минут (именно столько времени требуется свету, чтобы преодолеть расстояние от Солнца до Земли). Что же касается далёких галактик, то здесь речь уже идёт о миллиардах лет, изучая далёкие звёздные системы — мы изучаем их прошлое.
Третья особенность астрономии обусловлена необходимостью указать положение небесных тел в пространстве (их координаты) и невозможностью различить, какое из них находится ближе, а какое дальше от нас. Нам, как и людям в древности, кажется, что все звёзды одинаково удалены от нас и располагаются на некой сферической поверхности неба — небесной сфере, — которая как единое целое вращается вокруг Земли.
Астрономические наблюдения пассивные, т.е. у астрономов практически нет возможности влиять на наблюдаемые объекты. Процессы во Вселенной происходят очень медленно по земным меркам и, наблюдая за некоторыми небесными телами в течение многих лет, не удаётся заметить изменений. Поэтому очень ценными являются данные, полученные древними учёными, хотя по современным критериям они неточные. Следует также отметить, что, находясь на Земле, мы вместе с ней участвуем во многих движениях (вращение вокруг оси и вокруг Солнца, движение всей Солнечной системы вокруг центра Галактики, движение самой Галактики). Проводя наблюдения, необходимо понимать и учитывать это.
Важнейшими астрономическими приборами являются телескопы. Эти оптические приборы используют для визуальных и фотографических наблюдений небесных тел. Первый телескоп сконструировал Галилео Галилей в 1609 году.
Все крупные телескопы смонтированы на специальных устройствах, которые вращаются в направлении вращения неба с той же скоростью, с которой вращается Земля вокруг своей оси. Это позволяет проводить длительное наблюдения за одним и тем же участком неба.
Кроме света, звёзды излучают электромагнитные волны других частот, в частности радиоволны. Для приёма и регистрации радиоизлучения небесных объектов используют радиотелескопы. Антенны радиотелескопов устанавливают на специальные опоры, которые могут поворачиваться. Такой радиотелескоп можно направить в любой участок неба. У неподвижных телескопов высокое качество наблюдений, но при этом исследуется лишь малая часть неба.
Проходя через земную атмосферу, слабые сигналы от космических объектов искажаются, поглощаются и рассеиваются, и их невозможно регистрировать наземными приборами. В 1957 году в СССР был запущен искусственный спутник Земли. Это положило начало исследования Вселенной с помощью космической техники.
Интенсивное развитие космонавтики повлекло за собой создание и запуск искусственных спутников Земли, Луны и планет, позволило отправлять автоматические аппараты к объектам Солнечной системы и осуществлять пилотируемые полёты на Луну. Сейчас на околоземной орбите с 1990 года работает мощный телескоп «Хаббл», с помощью которого проводятся довольно качественные наблюдения космических объектов.
Единицы измерения расстояния в астрономии
Космическое пространство настолько велико, что измерять расстояние между небесными объектами в километрах — нерационально, так как придётся записывать числа с большим количеством нулей. В астрономии используются специальные единицы измерения — астрономическая единица (а.е.), световой год (св. год) и парсек (пк).
Астрономическая единица — принятая в астрономии единица измерения объектов Солнечной системы и ближайших к ней объектов Вселенной. Астрономическая единица равна 1 а.е = 149 597 870 700 метрам = 149 600 000 км ,что приблизительно равняется среднему расстоянию Земли от Солнца (см. рисунок).
Световой год — единица измерения расстояния в астрономии, равная расстоянию, которое электромагнитные волны (свет) проходят в вакууме за один земной год
Расстояние, равное одному световому году, можно определить с помощью формулы: S = c*t = 3*10⁸ м/с * t (с -- скорость электромагнитной волны (света) в вакууме.)
По определению Международного астрономического союза (МАС) один световой год равен: 9 460 730 472 580 800 метрам.
Внутри Солнечной системы расстояния меньше, чем световые годы, поэтому используют световой час (расстояние, которое проходит свет за час), световую минуту (расстояние, которое проходит свет за минуту) и световую секунду (расстояние, которое проходит свет за секунду). Например, расстояние от Солнца до Плутона равно 5,25 ч, 5,25 ч, расстояние от Солнца до Земли составляет 8,3 минуты ,а расстояние от Земли до Луны равно 1,3 с.
Парсек — распространённая в астрономии внесистемная единица измерения расстояний, равная расстоянию до объекта, годичный тригонометрический параллакс которого равен одной угловой секунде. Название образовано из сокращений слов «параллакс» и «секунда». Согласно определению, парсек — это расстояние, с которого отрезок длиной в одну астрономическую единицу (практически равный среднему радиусу орбиты Земли), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду (1"). Из этого определения вытекает, что парсек равен длине катета прямоугольного треугольника с прилежащим углом 1" и другим катетом длиной 1 а.е(см. рисунок).
Некоторые расстояния, выраженные в парсеках: расстояние от Солнца до ближайшей звезды (Проксима Центавра) составляет 1,3 пк, расстояние от Солнца до центра нашей Галактики — около 8пк, а расстояние до туманности Андромеды — 0,77 Мпк.
Здесь вы можете увидеть полёт ракеты Полёт ракеты Falcon от SpaceX