Роль наблюдений в астрономии.
Астрономия изучает строение Вселенной, движение, физическую природу, происхождение и эволюцию небесных тел и образованных ими систем. Астрономия исследует также фундаментальные свойства окружающей нас Вселенной. Огромные пространственно-временные масштабы изучаемых объектов и явлений определяют отличительные особенности астрономии.
Сведения о том, что происходит за пределами Земли в космическом пространстве, ученые получают главным образом на основе приходящего от этих объектов света и других видов излучения. Наблюдения – основной источник информации в астрономии. Эта первая особенность астрономии отличает ее от других естественных наук (например, физики или химии), где значительную роль играют опыты, эксперименты. Возможности проведения экспериментов за пределами Земли появились лишь благодаря космонавтике. Но и в этих случаях речь идет о проведении экспериментальных исследований небольшого масштаба, таких, например, как изучение химического состава лунных или марсианских пород. Трудно представить себе эксперименты над планетой в целом, звездой или галактикой.
Вторая особенность объясняется значительной продолжительностью целого ряда изучаемых в астрономии явлений (от сотен до миллионов и миллиардов лет). Поэтому непосредственно наблюдать происходящие изменения невозможно. Когда изменения происходят особенно медленно, приходится проводить наблюдения многих родственных между собой объектов, например звезд. Основные сведения об эволюции звезд получены именно таким способом. Более подробно об этом будет рассказано далее.
|
|
|
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. На первый взгляд все наблюдаемые светила кажутся нам одинаково далекими.
Как наука, астрономия основывается, прежде всего, на наблюдениях. В отличие от физиков астрономы лишены возможности ставить эксперименты. Практически всю информацию о небесных телах приносит нам электромагнитное излучение. Только в последние сорок лет отдельные миры стали изучать непосредственно: зондировать атмосферы планет, изучать лунный и марсианский грунт, изучать непосредственно атмосферу Титана.
Основа астрономии - наблюдения.
Для точности наблюдений, нужны приборы.
1). Установлено, Фалес Милетский в 595 г. до н.э. впервые использовал гномон -древнейший астрономический инструмент, вертикальный предмет (стержень обелиск, колонна, шест), позволяющий по наименьшей длине его тени (в полдень) определить угловую высоту Солнца. Это позволило использовать этот инструмент и как солнечные часы, и определить этапы солнцестояния, равноденствия, продолжительность года, широту наблюдателя и многое другое.
|
|
|
Гномоны-обелиски царицы Хатшепсут в Карнаке, Египет.
2). Гиппарх (180-125г, Др. Греция) использовал астролябию, что позволило ему измерить параллакс Луны, в 129г до н.э., установить продолжительность года в 365,25сут, определить процессию и составить в 130г до н.э. звездный каталог на 1008 звезд и т.д.
В различное время существовали и астрономический посох и астролабон (это первая разновидность теодолита), квадрант и многие друге приборы и инструменты. Наблюдения за небесными телами и объектами проводятся в специальных учреждениях - обсерваториях, которые возникли в самом начале развития астрономии до н. э.
Для возможных исследований и наблюдений в разных странах были созданы астрономические обсерватории. В нашей стране их порядка двух десятков: Главная Пулковская астрономическая обсерватория РАН (ГАО РАН), Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга (ГАИШ), Кавказская горная обсерватория (КГО ГАИШ) и пр.
Настоящее астрономическое исследование началось, когда в 1609 г. изобрели телескоп. Он стал основным прибором, который используется в астрономии для наблюдения небесных тел, приема и анализа приходящего от них излучения. Слово это происходит от двух греческих слов: tele – далеко и skopeo – смотрю.
|
|
|
Телескоп - оптический прибор, увеличивает угол зрения, под которым видны небесные тела (разрешающая способность), и собирает во много раз больше света, чем глаз наблюдателя (проникающая сила).
Телескоп применяют, во-первых, для того, чтобы собрать как можно больше света, идущего от исследуемого объекта, а во-вторых, чтобы обеспечить возможность изучать его мелкие детали, недоступные невооруженному глазу. Чем более слабые объекты дает возможность увидеть телескоп, тем больше его проницающая сила. Возможность различать мелкие детали характеризует разрешающую способность телескопа. Обе эти характеристики телескопа зависят от диаметра его объектива.
Количество света, собираемого объективом, возрастает пропорционально его площади (квадрату диаметра). Диаметр зрачка человеческого глаза даже в полной темноте не превышает 8 мм. Объектив телескопа может превышать по диаметру зрачок глаза в десятки и сотни раз. Это позволяет с помощью телескопа обнаружить звезды и другие объекты, которые в 100 млн. раз слабее объектов, видимых невооруженным глазом.
|
|
|
Виды телескопов :
Оптические телескопы
a. Рефрактор.
b. Рефлектор.
c. Зеркально – линзовый.
Радиотелескопы
Если в качестве объектива телескопа используется линза, то он называется рефрактор(от латинского слова refracto – преломляю), а если вогнутое зеркало, – то рефлектор(reflecto – отражаю). В зеркально-линзовых телескопах используется комбинация зеркала и линз.
ü Телескоп – рефрактор использует преломление света. Лучи, которые идут от небесных светил собираются линзой или системой линз.
Первым телескопом был телескоп-рефрактор с одиночной линзой в качестве объектива. "Зрительная труба" сделана в Голландии [Х. Липперсгей]. По приблизительному описанию ее изготовил в 1609г. Галилео Галилей и впервые направил в ноябре 1609г. на небо, а в январе 1610г. открыл 4 спутника Юпитера.
ü Телескоп – рефлектор использует отражение света. В них используют вогнутое зеркало, способное фокусировать отраженные лучи.
Рефлектор Ньютона.
В 1667г. первый зеркальный телескоп изобрел И. Ньютон (1643-1727, Англия) диаметр зеркала 2,5см при 41х увеличении. Здесь плоское диагональное зеркало, расположенное вблизи фокуса, отклоняет пучок света за пределы трубы, где изображение рассматривается через окуляр или фотографируется. Главное зеркало параболическое, но если относительное отверстие не слишком большое, оно может быть и сферическим. В те времена зеркала делались из сплавов металла, быстро тускнели.
Основным элементом рефлектора является зеркало – отражающая поверхность сферической, параболической или гиперболической формы. Обычно оно делается из стеклянной или кварцевой заготовки круглой формы и затем покрывается отражающим покрытием (тонкий слой серебра или алюминия). Точность изготовления поверхности зеркала, т.е. максимально допустимые отклонения от заданной формы, зависит от длины волны света, на которой будет работать зеркало. Точность должна быть лучше, чем λ/8. К примеру, зеркало, работающее в видимом свете (длина волны λ = 0,5 микрона), должно быть изготовлено с точностью 0,06 мкм (0,00006 мм).
Обращенная к глазу наблюдателя оптическая система называется окуляром. В простейшем случае окуляр может состоять только из одной положительной линзы (в этом случае мы получим сильно искаженное хроматической аберрацией изображение).
ü Помимо рефракторов и рефлекторов в настоящее время используются различные типы зеркально-линзовых телескопов.
Первый построил в 1930г. Б.В. Шмидт (1879-1935, Эстония) с диаметром объектива 44 см. Эстонский оптик, сотрудник Гамбургской обсерватории Барнхард Шмидт установил в центре кривизны сферического зеркала диафрагму, сразу устранив и кому (коматическую аберрацию) и астигматизм. Для устранения сферической абберации он разместил в диафрагме линзу специальной формы. В результате получилась фотографическая камера с единственной абберацией - кривизной поля и удивительными качествами: чем больше светосила камеры, тем лучше изображения, которые она дает, и больше поле зрения!
В 1946г. Джеймс Бэкер установил в камере Шмидта выпуклое вторичное зеркало и получил плоское поле. Несколько позже эта система была видоизменена и стала одной из самых совершенных систем: Шмидта-Кассегрена, которыя на поле диаметром 2 градуса дает дифракционное качество изображения.
Телескоп Шмидта – Кассегрена . В 1941 году Д.Д. Максутов (СССР) сделал менисковый телескоп, который выгоден короткой трубой. Применяется любителями – астрономами.
В нынешних обсерваториях мы можем увидеть крупные оптические телескопы. Крупнейший в России телескоп-рефлектор, который имеет зеркало диаметром 6 м, сконструирован и построен Ленинградским оптико-механическим объединением. Он называется «Большой телескоп азимутальный» (сокращённо БТА).
Его огромное вогнутое зеркало, которое имеет массу около 40 т, отшлифовано с точностью до долей микрометра. Фокусное расстояние зеркала 24 м. Масса всей установки телескопа более 850 т, а высота 42 м. Управление телескопом осуществляется с помощью компьютера, который позволяет точно навести телескоп на изучаемый объект и длительное время удерживать его в поле зрения, плавно поворачивая телескоп вслед за вращением Земли. Телескоп входит в состав Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук и установлен на Северном Кавказе (близ станицы Зеленчукская в Карачаево-Черкесской Республике) на высоте 2100 м над уровнем моря.
В настоящее время появилась возможность использовать в наземных телескопах не монолитные зеркала, а зеркала, состоящие из отдельных фрагментов. Уже построены и работают два телескопа, каждый из которых имеет объектив диаметром 10 м, состоящий из 36 отдельных зеркал шестиугольной формы. Управляя этими зеркалами с помощью компьютера, можно всегда расположить их так, чтобы все они собирали свет от наблюдаемого объекта в едином фокусе. Предполагается создать телескоп с составным зеркалом диаметром 32 м, работающим по тому же принципу.
Телескопы бывают самыми разными - оптические (общего астрофизического назначения, коронографы, телескопы для наблюдения ИСЗ), радиотелескопы, инфракрасные, нейтринные, рентгеновские. При всем своем многообразии, все телескопы, принимающие электромагнитное излучение, решают две основных задачи:
· создать максимально резкое изображение и, при визуальных наблюдениях, увеличить угловые расстояния между объектами (звездами, галактиками и т. п.);
· собрать как можно больше энергии излучения, увеличить освещенность изображения объектов.
Современные телескопы часто используются для того, чтобы сфотографировать изображение, которое дает объектив. Именно так получены те фотографии Солнца, галактик и других объектов, которые вы увидите на страницах учебника, в популярных книгах и журналах, на сайтах в интернете.
Телескопы, приспособленные для фотографирования небесных объектов, называются астрографами. Фотографические наблюдения имеют ряд преимуществ перед визуальными. К основным преимуществам относятся:
1. документальность – способность фиксировать происходящие явления и процессы, и долгое время сохранять полученную информацию;
2. моментальность – способность регистрировать кратковременные явления, происходящие в данный момент;
3. панорамность – способность запечатлевать на фотопластинке одновременно несколько объектов и их взаимное расположение;
4. интегральность – способность накапливать свет от слабых источников; детальность получаемого изображения.
С помощью телескопов производятся не только визуальные и фотографические наблюдения, но преимущественно высокочастотные фотоэлектрические и спектральные наблюдения. Сведения о температуре, химическом составе, магнитных полях небесных тел, а также об их движении получают из спектральных наблюдений. Кроме света, небесные тела излучают электромагнитные волны большей длины волны, чем свет (инфракрасное излучение, радиоволны), или меньшей (УФ, рентгеновское излучение и гамма лучи).
Изучение Вселенной началось и продолжается в течение нескольких тысячелетий, но вплоть до середины прошлого века исследования были исключительно в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Поэтому доступной областью излучения был диапазон от 400 до 700 нм. Первые астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими, изучалось только расположение планет, звёзд и их видимое движение на небесной сфере.
Но небесные тела дают различное излучение: видимый свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, радиоволны, рентгеновское, гамма – излучения. В XX веке астрономия стала всеволновой. Астрономию называют всеволновой, поскольку наблюдения за объектами ведутся не только в оптическом диапазоне. В настоящее время излучение от космических объектов регистрируется во всем диапазоне электромагнитного спектра от длинноволнового радиоизлучения (частота 107 , длина волны l = 30 м) до гамма-излучения (частота 1027 Гц, длина волны l = 3∙10–19×м = 3∙10–10нм). Для этой цели используются различные приборы, каждый из которых способен принимать излучение в определенном диапазоне электромагнитных волн: инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма- и радиоизлучение.
Астрономические наблюдения проводятся во всем диапазоне электромагнитных волн.
Для приема и анализа оптического и других видов излучения в современной астрономии используется весь арсенал достижений физики и техники – фотоумножители, электронно-оптические преобразователи и др. В настоящее время наиболее чувствительными приемниками света являются приборы с зарядовой связью (ПЗС), позволяющие регистрировать отдельные кванты света. Они представляют собой сложную систему полупроводников (полупроводниковые матрицы), в которых используется внутренний фотоэффект. В этом и в других случаях полученные данные можно воспроизвести на дисплее компьютера или представить для обработки и анализа в цифровой форме.
Наблюдения в других спектральных диапазонах позволили сделать важные открытия. Сначала были изобретены радиотелескопы. Радиоизлучение из космоса достигает поверхности Земли без значительного поглощения. Для его приема построены самые крупные астрономические инструменты – радиотелескопы.
Радиотелескоп
Радиотелескопы - преимущества: в любую погоду и время суток можно вести наблюдение объектов, недоступные для оптических. Представляют собой чашу (подобие локатора).
Радиоастрономия получило развитие после войны. Наибольшие сейчас радиотелескопы это неподвижные РАТАН- 600, Россия (вступил в строй в 1967г в 40 км от оптического телескопа, состоит из 895 отдельных зеркал размером 2,1х7,4м и имеет замкнутое кольцо диаметром 588м), Аресибо (Пуэрто –Рико, 305м-забетонированная чаша потухшего вулкана, введен в 1963г). Из подвижных имеют два радиотелескопа 100м чашу.
Их металлические зеркала-антенны, которые достигают в диаметре нескольких десятков метров, отражают радиоволны и собирают их подобно оптическому телескопу-рефлектору. Для регистрации радиоизлучения используются особые чувствительные радиоприемники. Любой радиотелескоп по принципу своего действия похож на оптический: он собирает излучение и фокусирует его на детекторе, настроенном на выбранную длину волны, а затем преобразует этот сигнал, показывая условно раскрашенное изображение неба или объекта.
Так, радиоволны принесли информацию о наличии крупных молекул в холодных молекулярных облаках, об активных галактиках, о строении ядер галактик, в том числе и нашей Галактики, тогда как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается космической пылью.
Чтобы существенно улучшить угловое разрешение, в радиоастрономии используют радиоинтерферометры. Простейший радиоинтерферометр состоит из двух радиотелескопов, разнесенных на расстояние, называемое базой интерферометра. Радиотелескопы, находящиеся в разных странах и даже на разных континентах, также могут соединяться в единую систему наблюдений. Такие системы получили название радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (РСДБ). Такие системы дают максимально возможное угловое разрешение, в несколько тысяч раз лучше, чем у любого оптического телескопа.
Наша Земля надежно защищена атмосферой от проникающего жесткого электромагнитного излучения, от инфракрасного излучения. Так как атмосфера мешает прониканию лучей к земле cλ< λсвета (ультрафиолетовые, рентгеновские, γ - излучения), то последнее время на орбиту Земли выводятся телескопы и целые орбитальные обсерватории : (т.е развиваются внеатмосферные наблюдения). Т.е. современные инфракрасные, рентгеновские и гамма обсерватории вынесены за пределы земной атмосферы.
Приборы для исследования остальных видов излучения обычно тоже называют телескопами, хотя по своему устройству они порой значительно отличаются от оптических телескопов. Как правило, они устанавливаются на искусственных спутниках, орбитальных станциях и других космических аппаратах, поскольку сквозь земную атмосферу эти излучения практически не проникают. Она их рассеивает и поглощает.
Даже оптические телескопы, находящиеся на орбите, имеют определенные преимущества по сравнению с наземными. Наиболее крупному из них космическому телескопу им. Хаббла, созданному в США (з апущен в апреле 1990 года ), с зеркалом диаметром 2,4 м доступны объекты, которые в 10–15 раз слабее, чем такому же телескопу на Земле. Его разрешающая способность составляет 0,1Ѕ, что недостижимо даже для более крупных наземных телескопов. На снимках туманностей и других далеких объектов видны мелкие детали, неразличимые при наблюдениях с Земли.
Космический телескоп им. Хаббла
Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 1956; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!