Современная астрономия
Введение
Данный реферат посвящен современным вопросам астрономии - той области знаний, которые за последние годы дали наибольшее число научно-технических открытий.
Вся история изучения Вселенной есть, в сущности, поиск средств, улучшающих человеческое зрение. До начала XVII века невооруженный глаз был единственным оптическим инструментом астрономов. Вся астрономическая техника древних сводилась к созданию различных угломерных инструментов, как можно более точных и прочных. Уже первые телескопы сразу резко повысили разрешающую и проницающую способность человеческого глаза. Вселенная оказалась совсем иной, чем она казалась до тех пор. Постепенно были созданы приемники невидимых излучении и в настоящее время Вселенную мы воспринимаем во всех диапазонах электромагнитного спектра - от гамма-лучей до сверхдлинных радиоволн.
Более того, созданы приемники корпускулярных излучений, улавливающие мельчайшие частицы - корпускулы (в основном ядра атомов и электроны), приходящие к нам от небесных тел. Если не бояться аллегорий, можно сказать, что Земля стала зорче, ее “глаза”, то есть совокупность всех приемников космических излучений, способны фиксировать объекты, от которых до нас лучи света доходят за многие миллиарды лет.
Благодаря телескопам и другим инструментам астрономической техники человек за три с половиной века проник в такие космические дали, куда свет - самое быстрое, что есть в этом мире - может добраться лишь за миллиарды лет! Это означает, что радиус изучаемой человечеством Вселенной растет со скоростью, в огромное число раз превосходящей скорость света!
1. Спектральный анализ небесных тел
Могучим оружием о исследовании Вселенной стал для астрономов спектральный анализ - изучение интенсивности излучения в отдельных спектральных линиях, в отдельных участках спектра. Спектральный анализ является важнейшим средством для исследования вселенной. Спектральный анализ является методом, с помощью которого определяется химический состав небесных тел, их температура, размеры, строение, расстояние до них и скорость их движения. Спектральный анализ проводится с использованием приборов спектрографа и спектроскопа. С помощью спектрального анализа определили химический состав звёзд, комет, галактик и тел солнечной системы, т.к. в спектре каждая линия или их совокупность характерна для какого-нибудь элемента. По интенсивности спектра можно определить температуру звёзд и других тел.
По спектру звёзды относят к тому или иному спектральному классу. По спектральной диаграмме можно определить видимую звёздную величину звезды, а далее пользуясь формулами найти абсолютную звёздную величину, светимость, а значит и размер звезды.
Но в своем стремлении объяснить природу небесных тел астрономы не сдвинулись бы с места ни на шаг, если бы они не знали как возникают в мировых пространствах электромагнитные волны той или другой частоты. Сегодня уже известно несколько совсем различных механизмов генерирования электромагнитного излучения. Один из них связан с движением электронов в поле атомных ядер - это тепловой механизм Здесь интенсивность излучения определяется температурой части и их концентрацией в единице объема. Cинхротронное излучение возникает при торможении в магнитном поле релятивистских электронов, т.е. электронов, скорости движения которых близки к скорости света. Электромагнитные волны возникают и при затухании механических колебаний неоднородной плазмы (ионизованного газа), и при переходе быстрых частиц через границу двух сред.
Из сказанного следует, что недостаточно зарегистрировать излучение какого-то объекта в определенной длине волны. Необходимы исследования в широком диапазоне длин волн и все сторонний анализ полученных результатов. Сегодня астрономы, вооруженные современной ракетной техникой, мощными оптическими и радиотелескопами, сложной теорией механизмов излучения, ведут широкое изучение Вселенной в целом и ее отдельных частей. Астрономы убеждены в том, что они правильно понимают природу процессов, происходящих далеко за пределами наших земных лабораторий...
2. Небо в рентгеновских лучах
До недавнего времени (положение начало существенно меняться лишь немногим более тридцати лет назад) понятие “астрономические наблюдения” было тождественно понятию “оптические наблюдения неба”.
Между тем еще в последнем году XVIII в. В. Гершель открыл излучение Солнца, лежащее за пределами видимого спектра. Это было инфракрасное излучение, но его электромагнитная природа стала ясна много лет спустя.
В 1801 г. И.Риттер изучал воздействие фиолетового излучения Солнца на хлористое серебро и неожиданно обнаружил, что восстановление окиси серебра продолжается даже тогда, когда пластинка расположена в “темной” области, дальше за фиолетовой. Так было открыто ультрафиолетовое излучение Солнца, природа которого тоже оставалась неясной.
Лишь в шестидесятых годах XIX в. Д. Максвелл пришел к выводу, что кроме видимого электромагнитного излучения (обычного видимого света) могут существовать и другие его виды, не видимые глазу и отличающиеся лишь длиной волны.
Условно электромагнитное излучение подразделяют на несколько диапазонов. Наибольшей длиной (более 10-3 м) обладают радиоволны. Диапазон от 0,65 мкм до 1 мм - область инфракрасного излучения. “Оптическое окно” - от 0,39 до 0,65 мкм. Еще короче длины волн ультрафиолетового излучения, они простираются примерно до 0,05 мкм. В области еще более коротких длин волн приборы способны регистрировать буквально каждый фотон, и поэтому принято в рентгеновском и более жестких диапазонах (т. е. в области более высоких энергий фотонов) использовать не длины волн, а соответствующие им энергии фотонов. Так, фотон с длиной полны 0,05 мкм обладает энергией 4· 10-17 джоулей (Дж) или 0,025 килоэлектронвольт (кэВ). Область энергий фотонов от 0,025 до 1 кэВ - это область мягкого рентгеновского излучения, 1-20 кэВ - “классический” рентгеновский диапазон; именно в этом диапазоне были проведены наиболее эффективные исследования неба.
Какое это было бы прекрасное зрелище, если бы мы могли увидеть своими глазами небо в рентгеновских лучах! Пусть даже мы могли бы видеть лишь звезды ярче 6-й звездной величины, как и в оптическом диапазоне. На рентгеновском небе, в отличие от оптического, таких звезд поменьше - около 700 против 6000. Самая яркая рентгеновская звезда светит подобно Венере. Но, в отличие от Венеры, которая блестит спокойно, мы видели бы, как ярчайшая звезда на рентгеновском небе за считанные минуты становится ярче или уменьшает свой блеск. Мы видели бы игру яркости у многих рентгеновских звезд. Мы видели бы, как на небе вспыхивают и гаснут звезды - одни за секунду, другие за минуты, третьи за часы. Иные звезды видны всегда, другие - лишь несколько недель или месяцев. Мы видели бы звезду, которая вспыхивает и гаснет тысячи раз в сутки. Мы видели бы яркие туманности и огромные дуги излучения - ничего похожего нет на оптическом небосклоне. Правда, на рентгеновском небе нет яркой туманной полосы Млечного Пути -небо почти равномерно светится во всех своих частях. Мы видели бы множество слабых звезд, разбросанных по небу, и знали бы, что это очень далекие объекты - на оптическом небе невооруженный взгляд не способен их увидеть.
Рентгеновские звезды собираются в созвездия, которым никто не дал и, видимо, так и не даст на званий - поэтические времена в астрономии давно прошли. Астрономы - люди трезвые, предпочитающие точное знание поэтическим обобщениям.
Исследование рентгеновского неба принесло для нашего точного знания о Вселенной огромный материал. Особенно о тех небесных телах, которые существенно (а то и принципиально!) отличаются от обычных звезд, сияющих на оптическом ночном небе, Вероятно, в конце концов и без рентгеновских наблюдений астрономы обратили бы внимание на странные звезды Н2 Геркулеса, или НDЕ 226808, или Х Персея. Но знания наши остались бы при этом чрезвычайно неполными. Мы могли бы подозревать, что в этих системах есть нечто необычное - например, аномально большая невидимая масса. Но что происходит в окрестности этой массы? Может быть, это обычная звезда, просто ее излучение слабое и теряется на фоне первой компоненты? Вряд ли нам удалось бы узнать это. И уже совсем мы не могли бы ничего сказать о том, что происходит в центре нашей Галактики - области, не видимой в оптических лучах.
Впрочем, радиоастрономы могут сказать то же о радионебе. И в гамма-области небо тоже своеобразно и добавляет к нашим знаниям о Вселенном свою страницу.
Вселенная едина - это люди разделили излучение небесных тел на искусственные диапазоны, потому что неспособны воспринимать мир сразу во всем богатстве красок, от мягкой “акварели” радионебом до жгучих цветов гамма-лучей. Мы складываем картину Вселенной подобно мозаике, и данные рентгеновских наблюдений - лишь один из элементов. Изучение небесных тел и явлений сейчас приносит наибольшие плоды, когда все диапазоны электромагнитного спектра оказываются использованными. Всеволновая астрономия стала совершенно необходима, и она появилась.
Открытие, сделанное в каком-то одном диапазоне, сразу приводит к активизации исследований в других диапазонах. Шаровые звездные скопления изучались много лет, и неожиданностей здесь не предвиделось. Но вот были открыты в них рентгеновские источники, и шаровые скопления сразу привлекли всеобщее внимание. Резкий скачок исследований, резкий скачок в нашем понимании природы этих образований. Много лет исследовались двойные системы - кривые блеска, перетекание вещества, свойства звезд. Но вот в двойных системах были открыты рентгеновские источники, и астрофизики поняли, что знания, казавшиеся такими значительным, на самом деле малы. Последовал резкий рост числа исследований двойных систем - не только в рентгеновском, но в оптическом, инфракрасном, радиодиапазонах. Фронт науки не терпит отставания - если в одной области происходит прорыв вперед, на новые рубежи, все остальные должны не медленно подтянуться, иначе картина мира окажется клочковатой или просто противоречивой. В последние годы именно рентгеновские исследования часто были бросками в неизвестное, именно они “тянули” за собой фронт астрофизической науки.
Первое знакомство с рентгеновским небом за кончилось - так Галилей, оглядев небо в первый телескоп, понял, что перед ним новый мир, и, оправившись от потрясений, приступил к его систематическому изучению. Изучению, которое привело к современной оптической астрономии. То же пред стоит теперь и в астрономии рентгеновской.
И недалеко время, когда астрономы перестанут делить излучение на диапазоны, когда небо откроется сразу всеми цветами. Небо в рентгеновских лучах прекрасно - но мы увидим Небо и поразимся, и застынем на некоторое время, впитывая увиденное.. А потом - за работу.
3. Радиоастрономия
Зарождение радиоастрономии
Декабрь 1931 года... В одной из американских лабораторий ее сотрудник Карл Янский изучает атмосферные помехи радиоприему. Нормальный ход радиопередачи на волне 14,7 м нарушен шумами, интенсивность которых не остается постоянной.
Постепенно выясняется загадочная периодичность - каждые 23 часа 56 минут помехи становятся особенно сильными. И так изо дня в день, из месяца в месяц.
Впрочем, загадка быстро находит свое решение. Странный период в точности равен продолжительности звездных суток в единицах солнечного времени. Яснее говоря, через каждые 23 часа 56 минут по обычным часам, отсчитывающим солнечное время, земной шар совершает полный оборот вокруг оси, и все звезды снова возвращаются в первоначальное положение относительно горизонта любого пункта Земли.
Отсюда Янский делает естественный вывод: досадные помехи имеют космическое происхождение. Какая-то таинственная космическая “радиостанция” раз в сутки занимает такое положение на небе, что ее радиопередача достигает наибольшей интенсивности.
Янский пытается отыскать объект, вызывающий радиопомехи И, несмотря на несовершенство приемной радиоаппаратуры, виновник найден. Радиоволны исходят из созвездия Стрельца, того самого, в направлении которого находится ядро нашей звездной системы - Галактики.
Так родилась радиоастрономия - одна из наиболее увлекательных отраслей современной астрономии.
Развитие радиоастрономии
Первые пятнадцать лет радиоастрономия почти не развивалась. Многим было еще не ясно, принесут ли радиометоды какую-нибудь существенную пользу астрономии.
Разразившаяся вторая мировая война привела к стремительному росту радиотехники. Радиолокаторы были приняты на вооружение всех армий. Их совершенствовали, всячески стремились повысить чувствительность, вовсе не предполагая, конечно, использовать радиолокаторы для исследования небесных тел.
Советские ученые академики Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси теоретически обосновали возможность радиолокации Луны еще в 1943 году.
Это было первое радиоастрономическое исследование в Советском Союзе. Два года спустя (в 1946 году) оно было проверено на практике сначала в США, а затем в Венгрии. Радиоволны, посланные человеком, достигли Луны и, отразившись от нее, вернулись на Землю, где были уловлены чувствительным радиоприемником.
Последующие десятилетия - это период необыкновенно быстрого прогресса радиоастрономии. Его можно назвать триумфальным, так как ежегодно радиоволны приносят из космоса удивительные сведения о природе небесных тел. На сравнительно коротком интервале времени, начиная с 50-х гг., в радиоастрономии достигнут большой прогресс. Разрешение от 1-10 уг. мин. дошло до 0.1 тыс .уг. сек и значительно превосходит возможности оптической астрономии. Чувствительность от 1-10 Ян повысилась до 1 мкЯн. Наблюдения проводятся в диапазоне от 0.01 до 300-400 ГГц. Одновременно принимаемая полоса частот от 100-200 кГц доведена до 1-10 ГГц. Радиоастрономия имеет сопоставимые, а по некоторым проблемам и большие по сравнению с оптикой, возможности проникновения в глубины Вселенной.
Перспективы радиоастрономических исследований
Прогресс радиоастрономических исследований определяется уровнем экспериментальной техники. Можно указать на два достижения, которые являются основой современной радиоастрономии.
Первое: разработка апертурного синтеза и синтезированных радиотелескопов, разработка радиоинтерферометров со сверхбольшой базой. Смысл этих систем состоит в том, что сигналы, принятые разными антеннами, определенным образом складываются. В итоге удается воссоздать картину, которую дала бы одна большая остронаправленная антенна. И вот результат - в радиоастрономии получена разрешающая сила в десятитысячной доли угловой секунды, что на несколько порядков выше разрешения наземных оптических телескопов.
Второе: разработка на основе ЭВМ многоканальных систем космической радиоспектроскопии, создание радиотелескопов-спектрометров. Эти инструменты позволили исследовать структуру мазерных источников, открыть в космосе более 50 различных органических молекул, в том числе сложные молекулы, состоящие более чем из десятка атомов.
Через 50 лет, надо полагать, будут открыты (если они имеются) планеты у ближайших к нам 5-10 звезд. Скорее всего их обнаружат в оптическом, инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах волн с внеатмосферных установок.
В будущем появятся межзвездные корабли-зонды для полета к одной из ближайших звезд в пределах расстояний 5-10 световых лет, разумеется, к той, возле которой будут обнаружены планеты. Такой корабль будет двигаться со скоростью не более 0,1 скорости света с помощью термоядерного двигателя.
В радиоастрономии будут использоваться гигантские космические системы апертурного синтеза с размерами радиотелескопов более 100 метров и расстоянием между ними до нескольких сотен тысяч километров (сейчас наибольшее расстояние между радиотелескопами ограничено размерами Земли).
В первой трети XXI в. будет обсуждаться проблема ограничения производства термоядерной энергии, которая к тому времени станет доминирующей, предпримутся также серьезные шаги, чтобы использовать фоновую энергию, существующую на Земле всегда (энергию ветра, приливов, солнечную энергию и т.п.), утилизация которой не приводит к дополнительному нагреву планеты.
Вероятно, будут построены специальные большие радиотелескопы для наблюдения и поиска электромагнитных сигналов разумного (искусственного) происхождения во всем перспективном диапазоне волн, проведены наблюдения сигналов от значительной части звезд Галактики, получит дальнейшее развитие теория возникновения и эволюции внеземных цивилизаций.
Радиоастрономия использует сейчас самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенные системы. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаются недосягаемыми для обычных оптических телескопов. Радиоастрономия стала неотъемлемой частью современного естествознания. Перед человечеством раскрылся радиокосмос - картина Вселенной в радиоволнах.
Как известно, успехи в радиоастрономии главным образом определяются возможностями получить высокую чувствительность и разрешающую способность. Из оптической астрономии пришло разделение инструментов на два класса: рефлекторов и рефракторов. В середине 50-х годов велась активная дискуссия, какие системы лучше развивать в радиоастрономии, где короче и дешевле путь достижения высокого разрешения и чувствительности.
Каждая наука изучает определенные явления природы, используя свои методы и средства. Для радиоастрономии объектом изучения служит весь необъятный космос, все бесчисленное множество небесных тел. Правда, это изучение несколько одностороннее - оно ведется лишь посредством радиоволн. Но и в таком “разрезе” Вселенная оказывается бесконечно многообразной, неисчерпаемой для исследователя.
4. Оптические наблюдения
Человеческому глазу доступна узкая область длин волн электромагнитного спектра излучения - от 0,39 до 0,65 мкм. Это очень небольшая щель, сквозь которую люди в течение тысячелетий заглядывали во Вселенную. Но сколько потрясших воображение открытий принесли эти наблюдения!
На протяжении нескольких тысячелетий астрономы ограничивались определением положений светил на небесной сфере и оценкой их блеска невооруженным глазом. Ныне в их распоряжении мощные приборы, позволяющие улавливать буквально отдельные кванты света, идущие от далеких звездных систем.
Некоторое время наибольшими из астрономических телескопов были 250-сантиметровый рефлектор обсерватории Маунт Вильсон и 500-сантиметровый рефлектор Паломарской обсерватории в США.
Сегодня крупнейшим в Европе является телескоп рефлектор с диаметром зеркала 600 см. Он установлен на .Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукская. Вот некоторые его технические характеристики: вес зеркала около 40т, фокусное расстояние - 24 м, вес инструмента вместе с монтировкой - свыше 850 т. Телескоп вращается вокруг горизонтальной и вертикальной осей. Компьютер пересчитывает координаты светила с экваториальной в горизонтальную систему координат и подаст соответствующие команды на управляющую механическую систему, вращающую инструмент вслед за этим светилом.
До последнего времени наиболее распространенной оптической системой телескопов была система Кассегрена В таком телескопе главное зеркало имеет форму параболоида. Отразившись от него, световые лучи возвращаются сходящимся пучком назад, попадают на меньшее выпуклое гиперболическое зеркало, опять изменяют направление своего движения и, пройдя через отверстие в главном зеркале, собираются позади него в фокальной плоскости.
Несколько лет назад в США (обсерватория Китт-Пик), а затем в Австралии (обсерватория Сайдинг-Спринг) введены в действие телескопы системы Ричи-Кретьена с диаметрами зеркал 400 см. В этой системе как главное, так и вспомогательное зеркала имеют гиперболическую форму. Это значительно уменьшает длину трубы телескопа, облегчает его монтировку, а диаметр поля зрения увеличивается в 5-10 раз Аналогичный телескоп установлен в Канаде на горе Кобау. В Чили американские ученые устанавливают телескоп этой же системы с диаметром главного зеркала 400 см, а на так называемой Объединенной Европейской обсерватории (там же) устанавливается телескоп с диаметром 360 см. Отметим, что стоимость 4-метрового гиганта оценивается в 10 млн. долларов.
Сейчас в разных странах строится около 8 телескопов с D>3 м и более, 20 - с D>1 м. В частности, мощность современного телескопа оценивается такой цифрой: в 6-метровый телескоп можно увидеть звезды до 24m. Световой поток от этих объектов в 6 млн. раз меньше, чем от звезд 6-й величины.
Теперь в мире насчитывается около 1000 астрономических обсерваторий и станций наблюдений за искусственными спутниками Земли. Почти 100 из них - в России. Своими исследованиями приобрели мировое признание Пулковская астрономическая обсерватория, Крымская астрофизическая обсерватория, Бюраканская астрофизическая обсерватория, Государственный астрономический институт имени Штернберга (Москва) и многие другие.
На миллиарды световых лет (световой год - это, 9.460 Х 1012 км) проникает сейчас во Вселенную глаз наблюдателя. Самые слабые объекты, доступные современным телескопам, имеют примерно 24-ю звездную величину. Самое яркое светило на небе (исключая Солнце и Луну) - планета Венера - в периоды наибольшей яркости имеет звездную величину, равную -4. Значит, блеск слабейшей из галактик в 150 миллиардов раз меньше блеска Венеры. Таков “проницающий взгляд” оптической астрономии.
5. Другие методы наблюдений
Обо всем, что происходит вокруг нас, о далеких звездных и галактических мирах рассказывают нам световые лучи. Но в наше время визуальные наблюдения небесных светил проводятся очень редко. Более эффективными оказались фотографические и фотоэлектрические методы наблюдений. Возможности фотографического метода действительно сказочные: ведь при длительном фотографировании количество квантов, поглощенных фотоэмульсией, возрастает. В частности, при помощи 6-метрового телескопа можно получить изображения звезд до 20m при экспозиции всего 10 минут. К тому же на одной пластинке фиксируются изображения многих тысяч объектов, каждый из которых в свое время может стать чем-то интересным.
В последние годы все больше используется фотоэлектрический метод pегистрации слабых световых потоков. В этом случае пучок света направляется не на фотопластинку, а на фотокатод (металлическую пластинку, вмонтированную в стеклянный баллон). Для астрономических наблюдений сегодня используются очень чувствительные фотоумножители, способные регистрировать очень слабые световые потоки. Так, современные фотоумножители, установленные на 5 метровом телескопе, регистрируют быстрые изменения яркости объектов до 24-й видимой величины.
Огромный выигрыш во времени фотографирования слабых объектов дают электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Очень перспективным оказался телевизионный метод.
Большое значение имеет исследование химического состава звезд путем тщательного анализа их спектров. При этом необходимо учитывать температуру и давление в поверхностных слоях звезд, которые также получают из спектров. Вообще спектрографические наблюдения дают наиболее полную информацию об условиях, господствующих в звездных атмосферах.
Заключение
2000 лет тому назад расстояние Земли от Солнца, согласно Аристарху Самосскому, составляло около 361 радиуса Земли, т.е. около 2.300.000 км. Аристотель считал, что “сфера звезд” размещается в 9 раз дальше. Таким образом, геометрические масштабы мира 2000 лет тому назад “измерялись” величиной в 20.000.000 км.
При помощи современных телескопов астрономы наблюдают объекты, находящиеся на расстоянии около 10 млрд. световых лет, что составляет 9,5-1022 км. Таким образом, за упомянутый промежуток времени масштабы мира “выросли” в 5-1015 раз.
Согласно византийским христианским богословам (середина IV столетия н.э.) мир был создан 5508 лет до н.э., т.е. менее чем 7,5 тыс. лет тому назад.
Современная астрономия дала доказательства того, что уже около 10 млрд. лет тому назад доступная для астрономических наблюдений Вселенная существовала в виде гигантской системы галактик. Масштабы во времени “выросли” в 13 млн. раз.
Но главное, конечно, не в цифровом росте пространственных и временных масштабов, хотя и от них захватывает дыхание. Главное в том, что человек, наконец, вышел на широкий путь понимания действительных законов мироздания.
Список литературы
Шкловский И.С.. Вселенная, жизнь, разум. М.: “Наука” 1980 г.
Бакулин К.М. Курс общей астрономии. М. 1987 г.
Климишин И. А.. Астрономия вчера и сегодня. Киев. 1977 г.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://referat2000.bizforum.ru/