Астрономия (греч. astron – звезда + nomos – закон) – наука о строении и развитии космических тел, их систем и Вселенной в целом. Астрономы изучают движение и природу Солнца, Луны, планет, звёзд, галактик и других небесных тел. Принято считать, что все астрономические объекты расположены за пределами Земли, однако астрономы изучают и саму Землю как планету, дополняя сведения о ней, полученные другими науками.
Астрономия является одной из древнейших наук, она возникла на основе практических потребностей человека и развивалась вместе с ним. Элементарные астрономические сведения были известны уже тысячи лет в Египте, Китае, Вавилоне и применялись народами этих стран для измерения времени и ориентировки по сторонам горизонта. В настоящее время используется для определения точного времени и географических координат (тот же самый навигатор). Также помогает исследованию и освоению космического пространства, развитию космонавтики и изучению нашей планеты из космоса.
Современная астрономия тесно связана с математикой и физикой, с биологией и химией, с географией и геологией, а также космонавтикой. Используя достижения других наук, она в свою очередь обогащает их, стимулирует их развитие, выдвигая перед ними всё новые задачи.
Изучая данную науку, необходимо обращать внимание на то, какие сведения являются достоверными фактами, а какие – научными предположениями, которые со временем могут измениться.
Последние десятилетия развития астрономии отмечены непрерывной чередой фундаментальных открытий, причём затухания этого потока пока не ощущается. Обнаружение принципиально новых видов материи, новых свойств элементарных частиц и гравитационных волн поставили современную астрономию в авангарде физических наук.
Масштабы Вселенной сложно представить, однако мы попробуем это сделать и начнём с малого – с нашей Солнечной системы. И как бы странно это не было её нельзя изобразить на бумаге в точности. То, что приводится в книгах по астрономии, есть чертёж планетных путей, а не самой системы – на таких чертежах изобразить планеты без грубого нарушения масштаба невозможно. Это связано с тем, что планеты ничтожно малы по сравнению с разделяющим их расстоянием.
На рисунке 1 мы видим сравнительные размеры планет и Солнца. Возьмём более наглядный пример: будем использовать масштаб такой, в котором около 15000 км – это 1 мм. Тогда Землю можно представить в виде булавочной головки. Луну в виде крупинки в 1/4 мм диаметром нужно будет поместить в 3 см от «Земли», тогда Солнце величиной с крокетный шар (10 см диаметром) должно стоять на 10 м от «Земли». И хоть и между ними есть ещё две планеты – Меркурий и Венера, однако они мало способствуют заполнению пространства. Меркурий будет крупинкой в 1/3 мм поперечником на расстоянии 4 м от «Солнца» и Венера будет булавочной головкой в 7 м от него. А в 16 м от «Солнца» кружится Марс – крупинка в 1/2 мм поперечником. И у него есть два спутника, однако изобразить их мы не сможем: в нашем масштабе им следовало бы придать размеры бактерий. Юпитер будет в виде ореха (1 см) в 52 м от мяча-Солнца. Вокруг него на расстоянии 3, 4, 7 и 12 см кружатся самые большие из 16 его крупнейших спутников (на сегодня их всего 63). Размеры этих больших лун – около 1/2 мм, остальные представляются в виде бактерий. Сатурн будет в 100 м от «Солнца» в виде орешка 8 мм поперечником, а его кольца шириной 4 мм и толщиной 1/250 мм будут находиться в 1 мм от поверхности орешка. Уран отброшен на 196 м от нашего мяча и размером он будет с горошину в 3 мм поперечником с 27 пылинками-спутниками, что расположились на расстоянии 4 см. А Нептун находиться в 300 м от «Солнца» и будет он с горошину, вокруг которой расположились 2 самых больших спутника (из13 известных) в 3 и 70 см от неё.
Уже точно можно сказать – безнадёжны попытки расположения Солнечной системы на одном чертеже, не нарушая масштаба планет. И это лишь размеры нашей Солнечной системы, куда сложнее представить размеры галактики, в которой мы и находимся.
Расстояния меж отдельными галактиками обычно в десятки раз превосходят их размеры. И невооружённым глазом мы можем увидеть лишь только одну из них – туманность Андромеды.
Звёзды являются наиболее распространённым типом небесных тел во Вселенной, а галактики и их скопления – её основными структурными единицами. Пространство меж звёздами в галактиках и меж галактиками заполнено очень разряженной материей в виде газа, пыли, элементарных частиц, электромагнитного излучения, гравитационных и магнитных полей.
Проникнуть в глубины Вселенной, изучить физическую природу небесных тел можно при помощи телескопов и других приборов, которыми располагает современная астрономия благодаря успехам, достигнутым в различных областях науки и техники.
Основным астрономическим прибором является телескоп – прибор для регистрации излучения и получения изображений небесных светил. Основной оптической частью телескопа служит объектив, который собирает свет и создаёт изображение источника. Если объектив телескопа представляет собой линзу или систему линз, то телескоп называют рефрактором, а если вогнутое зеркало – рефлектором (рис 2).
Собираемая телескопом световая энергия зависит от размеров объектива. Чем больше площадь его поверхности, тем более слабые светящиеся объекты можно наблюдать в телескоп.
В рефракторе лучи, пройдя через объектив, преломляются и образуют изображение объекта в фокальной плоскости. В рефлекторе лучи от вогнутого зеркала отражаются и потом также собираются в фокальной плоскости. Изображение небесного объекта, построенное объективом, можно либо рассматривать через линзу, называемую окуляром, либо фотографировать.
При изготовлении объектива телескопа стремятся свести к минимуму все искажения, поэтому объектив изготавливают из нескольких линз с разной кривизной поверхностей и из разных сортов стекла.
Советский оптик Д. Д. Максутов разработал систему телескопа, называемою менисковой. Она соединяет в себе достоинства рефрактора и рефлектора. Тонкое стекло – мениск – исправляет искажения, даваемые большим сферическим зеркалом. Лучи отражаются от зеркала, затем от посеребренной площадки на внутренней поверхности мениска и идут в окуляр, роль которого выполняет короткофокусная линза. Существуют и другие телескопические системы.
Телескоп увеличивает видимые угловые размеры Солнца, Луны и планет (их рельеф), а также видимые угловые расстояние меж светилами, но звёзды в любой телескоп видны лишь как точки, излучающие свет. Изображение в телескопе получается обычно перевёрнуто, однако это не имеет значения при наблюдения космических объектов. Введение добавочных линз в окуляр делает телескоп подзорной трубой, дающей прямые изображения, но при этом теряется часть света. При наблюдениях в телескоп редко используются увеличения свыше 500 раз, т.к. воздушные течения вызывают искажения изображения и чем больше увеличение, тем больше искажение.
Наблюдения в астрономии, играя такую же роль, как опыты в физике и химии, имеют ряд особенностей:
- Астрономические наблюдения в большинстве случаев пассивны по отношению к изучаемым объектам, т.к. мы не можем активно влиять на объекты (только с помощью современных технологий мы смогли изучать Луну и ближайшие планеты к нам)
- Мы наблюдаем положение небесных тел и их движение с Земли, которая сама находится в движении – вращается вокруг Солнца и вокруг совей оси
- Все светила находятся от нас на далёких расстояниях (даже может показаться, что они равноудалены от нас)
Расстояние меж объектами на небе измеряют углом, образованным лучами, идущими к объектам из точки наблюдения (рис. 3). Такое расстояние называется угловым и выражается в градусах и его долях. При этом считается, что две звезды находятся недалеко друг от друга, если близки направления, по которым мы их видим (например А и В на рис. 3). Возможно, что третья звезда С, на небе более далёкая от А, в пространстве к А ближе, чем звезда В.
Угловое расстояние светила от горизонта h (рис. 3) называется высотой светила над горизонтом.
Высота светил отсчитывается от 0 (находится на горизонте) до 90 градусов (над головой). Положение светила относительно сторон горизонта (стран света) указывается с помощью второго угла, который называется азимутом и меняется в пределах от 0 до 360 градусов (отсчёт от юга по ходу часовой стрелки).
Измерения высоты светила и его азимута выполняются специальными угломерными оптическими инструментами – теодолитами.