Астрономия как наука о Вселенной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современная астрономия

Звездное небо всегда притягивало внимание людей, недаром астрономия - одна из самых древних наук. В настоящее время развитие профессиональной астрономии достигло невиданных высот - мы исследуем космос не только с Земли, но и отправляем различные аппараты, которые открывают нам все новые и новые тайны Вселенной. Подобные исследования требуют огромных средств, напряженной работы и высокой квалификации ученых. Однако звездное небо манит не только ученых, вооруженных передовой аппаратурой, но и "простых смертных", которые могут приобщиться ко многим чудесам звездного неба, имея немного желания и совсем чуточку терпения.

Астрономия - наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и образованных ими систем.

Небесное тело (или точнее астрономический объект) - это материальный объект, естественным образом сформировавшийся в космическом пространстве. К небесным телам можно отнести кометы, планеты, метеориты, астероиды, звёзды и прочее. Профессиональная астрономия в наши дни часто рассматривается как синоним астрофизики (Астрофизика - учение о строении небесных тел.).

В частности, астрономия изучает Солнце и звёзды, планеты Солнечной системы и их спутники, внесолнечные планеты (экзопланеты), астероиды, кометы, метеориты, межпланетное вещество, туманности, межзвёздное вещество, галактики и их скопления, пульсары, квазары, чёрные дыры и многое другое.

Астрономия является одной из древнейших наук. Доисторические культуры оставили после себя такие астрономические артефакты как древнеегипетские монументы и Стоунхендж. А первые цивилизации вавилонян, греков, китайцев, индийцев и майя уже в своё время проводили методические наблюдения ночного небосвода. После изобретения телескопа, развитие астрономии, как современной науки, было значительно ускорено. Исторически, астрономия включала в себя астрометрию, навигацию по звёздам, наблюдательную астрономию, создание календарей, и даже астрологию.

В XX веке астрономия разделилась на две главные ветви: наблюдательную и теоретическую.

Наблюдательная астрономия сфокусирована на получении данных из наблюдений небесных тел, которые затем анализируются с помощью основных законов физики.

Теоретическая астрономия ориентирована на разработку компьютерных, математических или аналитических моделей для описания астрономических объектов и явлений. Эти две ветви дополняют друг друга: теоретическая астрономия ищет объяснения результатам наблюдений, а наблюдательная астрономия используется для подтверждения теоретических выводов и гипотез.

Теоретическая астрономия

Раздел физики, в котором в качестве основного способа познания природы используется создание математических моделей явлений и сопоставление их с реальностью. В такой формулировке теоретическая физика является самостоятельным методом изучения Природы. Однако область её интересов, естественно, формируется с учетом результатов экспериментов и наблюдений за природой.

Математическая модель - это математическое представление реальности.

Математическое моделирование - процесс построения и изучения математических моделей.

Теоретическая физика не рассматривает вопросы вида "почему математика должна описывать природу?". Она принимает за постулат то, что, в силу неких причин, математическое описание природных явлений оказывается крайне эффективными, изучает последствия этого постулата. Строго говоря, теоретическая физика изучает не свойства самой природы, а свойства предлагаемых математических моделей. Кроме того, часто теоретическая физика изучает какие-либо модели "сами по себе", без привязки к конкретным природным явлениям.

Физическая теория

Продуктом теоретической физики являются физические теории. Поскольку теоретическая физика работает именно с математическими моделями, крайне важным требованием является математическая непротиворечивость завершенной физической теории. Вторым обязательным свойством, отличающим теоретическую физику от математики, является возможность получать внутри теории предсказания для поведения Природы в тех или иных условиях (то есть предсказания для экспериментов) и, в тех случаях, где результат эксперимента уже известен, давать согласие с экспериментом.

Сказанное выше позволяет обрисовать общую структуру физической теории. Она должна содержать:

- описание круга явлений, для которых строится математическая модель;

- аксиомы, определяющие математическую модель;

- аксиомы, сопоставляющие (по крайней мере, некоторым) математическим объектам наблюдаемые, физические объекты;

- непосредственные следствия математических аксиом и их эквиваленты в реальном мире, которые истолковываются как предсказания теории.

Наблюдательная астрономия

Наблюдательная астрономия сконцентрирована на сборе информации, для чего необходимо создавать инструменты и пользоваться ними, а также уметь обрабатывать результаты. Теоретическая астрофизика сфокусирована на внедрении результатов наблюдений в компьютерные или аналитические модели. Эти два подразделения дополняют одно другое: теоретическая астрофизика пытается объяснить результаты наблюдательной астрономии. Астрономические наблюдения могут использоваться для опробования фундаментальных теорий в физике, как, например, теории относительности.

Исторически так сложилось, что астрономы-любители участвовали во многих значимых открытиях. Астрономия это одна из немногих наук, где аматоры (любитель) до сих пор играют важную роль, особенно в том, что касается наблюдений за конкретным феноменом.

Невооруженным глазом

Кажется, что ясной ночью на небе видно бесчисленное количество звезд. На самом же деле невооруженным глазом человек может увидеть всего лишь несколько тысяч. Само по себе зрелище звездного неба интересно и красиво, однако некоторая детализация подобных наблюдений сделает процесс намного интереснее.

Во-первых, можно наблюдать различные созвездия, т.е. условно принятые группы звезд, которым дается определенное название, очень часто даже не совпадающее с нашими представлениями о предмете. Например, напоминающее букву "W" созвездие Кассиопеи, получило свое название в честь мифологической царицы, которую можно представить в виде "W" только при наличии хорошей фантазии. Это созвездие имеет очень красочную легенду, пришедшую из Древней Греции.

В стране Эфиопии правил некогда грозный и могучий царь Цефей (который тоже имеется на звездном небосклоне) (см. миф о Цефее герое). Женой царя Цефея была исключительно красивая, если верить древним грекам на слово, царица Кассиопея. Но, так или иначе, процесс узнавания на небе созвездий, которые до этого смотрели в атласе, весьма приятен. Летними ночами можно увидеть такие интересные созвездия, как Лебедь.

В средних широтах России созвездие можно отыскать в любое время года, однако наилучшие условия наблюдения - летом и ранней осенью, Кассиопея, Волопас, Орел, Дракон - Жители древнего Вавилона думали, что все звёзды охраняет страшный дракон, которому сам бог Мардук доверил столь ответственное дело. Дракон играл роль стража и в некоторых древнегреческих мифах, согласно которым все видящий змей (дракон) Ладон, выполняя поручение Геры, охранял золотые яблони. Доблестный Геракл (Геркулес) в своём одиннадцатом подвиге умертвил Ладона и доставил заветные яблоки царю Эврисфею, которому герой в то время служил, Большая Медведица и т.д.

Во-вторых, невооруженным глазом в ясную безлунную ночь можно увидеть такой объект, как Млечный Путь. Это наша с вами галактика, в которой помимо Солнца есть еще 200 миллиардов звезд. При наблюдении невооруженным глазом она выглядит как туманная полоса, проходящая через все небо.

В-третьих, некоторые планеты Солнечной системы видны без всяких приборов даже лучше, чем звезды. Например, вечером на Западе иногда можно увидеть так называемую "Вечернюю Звезду" - Венеру. Наконец, наблюдателю доступны Лунные и Солнечные затмения, которые хоть и редко, но случаются, являя собой весьма необычное и интересное зрелище.

Тень Луны на земной поверхности не превышает в диаметре 270 км, поэтому солнечное затмение наблюдается только в узкой полосе на пути тени. Поскольку Луна обращается по эллиптической орбите, расстояние между Землёй и Луной в момент затмения может быть различным, соответственно, диаметр пятна лунной тени на поверхности Земли может варьироваться в широких пределах от максимального до нуля (когда вершина конуса лунной тени не достигает поверхности Земли). Если наблюдатель находится в полосе тени, он видит полное солнечное затмение, при котором Луна полностью скрывает Солнце, небо темнеет, и на нём могут появиться планеты и яркие звёзды. Вокруг скрытого Луной солнечного диска можно наблюдать солнечную корону, которая при обычном ярком свете Солнца не видна. При наблюдении затмения неподвижным наземным наблюдателем полная фаза длится не более нескольких минут. Минимальная скорость движения лунной тени по земной поверхности составляет чуть более 1 км/с. Во время полного солнечного затмения космонавты, находящиеся на орбите, могут наблюдать на поверхности Земли бегущую тень от Луны.

Вооружившись биноклем

Уже в простой бинокль, с увеличением в восемь крат, диапазон наблюдаемых астрономических объектов значительно увеличивается. Простые звезды выглядят намного ярче, появляются невидимые невооруженным глазом звезды. Знакомый нам Млечный Путь из туманной полосы превращается в россыпь звезд в поле зрения бинокля.

Но особый интерес при наблюдении в бинокль представляет Луна. Даже в слабый прибор различимы Лунные моря, имеющие весьма необычные названия, вроде Моря Кризисов, Моря Изобилия, Моря Нектара и другие. В бинокль они видны как темные пятна. Сейчас мы понимаем, что так выглядит поверхность Луны, на которой давным-давно происходили бурные геологические процессы, текла и застывала лава. Но долгое время некоторые астрономы предполагали, что эти моря заполнены водой, отсюда и их название. В хороший бинокль можно увидеть и некоторые лунные кратеры, например, Тихо, Кеплер и т.д.

Пожалуй, можно разглядеть и спутники Юпитера. Для этого нужно найти на небе эту планету, которая хорошо видна и невооруженным глазом. Нацелив на нее прибор, мы увидим крошечный диск, по бокам от которого находятся маленькие "звездочки". Максимально можно рассмотреть четыре - это так называемые "Галилеевы" спутники, которые ученый открыл в 1610 году.

Ни в коем случае не пытайтесь смотреть в бинокль и другие приборы на Солнце - можно ослепнуть (луч Солнца при таком увеличении прожигает бумагу и уж тем более способен прожечь сетчатку ваших глаз). Для наблюдения Солнца используются светофильтры и другие специальные методы, которые требуют отдельного рассмотрения.

Разжившись телескопом

В небольшой и недорогой любительский телескоп можно увидеть множество интересного и даже совершить открытия научного масштаба. Многие кометы были открыты любителями, а кто-то умудрился это сделать несколько раз, как японец Икейа, открывший 5 комет. Дело в том, что профессиональным астрономам некогда прочесывать в поисках подобных объектов все небо, и тут как раз на помощь приходят энтузиасты с небольшими телескопами, но с большим желанием что-либо увидеть. Конечно, открыть комету посчастливится единицам, но вот приобщиться к массе других интересных явлений могут практически все. Даже с телескопом, стоящим менее 5 тысяч рублей.

Первое, на что обычно наводят сей прибор - это Луна. Тут уже видны не просто пятна морей. Перед взором наблюдателя предстает подробнейшая "карта" с кучей кратеров, расщелин, морей и других деталей рельефа. Причем выглядит все настолько живо и объемно, что никакие фотографии и рядом не стоят.

Насмотревшись на Луну, можно начать исследовать планеты. Стоит обратить внимание на Венеру, которая в телескоп выглядит как яркий голубой полумесяц, потом посмотреть Юпитер с полосами, спутниками, Сатурн с кольцами, Марс с полярной шапкой, маленький красный Меркурий. Все это великолепие доступно уже на увеличении до ста крат.

После планет можно попробовать понаблюдать и туманности, галактики, звездные скопления, переменные звезды, двойные звезды. Но это уже требует определенных навыков, хотя галактика м 31 - Туманность Андромеды - доступна каждому. Надо только выбрать ясную летнюю ночь, навести телескоп в нужное место (его легко найти по любой карте звездного неба), и перед вами появится туманный диск, который на самом деле больше Млечного Пути практически в два раза, и который по некоторым расчетам столкнется с нашей галактикой через 5 млрд. лет.

Новые направления современной астрономии

Рентгеновская астрономия.

Гамма-астрономия.

Астрономия фотонов сверхвысокой энергии.

Нейтринная и гравитационная астрономия.

Рентгеновская астрономия

Рентгеновская астрономия - раздел астрономии, исследующий космические объекты по их рентгеновскому излучению. Под рентгеновским излучением обычно понимают электромагнитные волны в диапазоне энергии от 0,1 до 100 Электрон-вольт (внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике).

Энергия рентгеновских фотонов гораздо больше, нежели оптических, поэтому в рентгеновском диапазоне излучает вещество, нагретое до чрезвычайно высоких температур. Источниками рентгеновского излучения являются чёрные дыры, нейтронные звезды, квазары и другие экзотические объекты, представляющие большой интерес для астрофизики. Основным инструментом исследования является рентгеновский телескоп.

Гамма-астрономия

Гамма-астрономия - раздел астрономии, исследующий космические объекты по их гамма-излучению. Гамма-лучи представляют собой электромагнитные волны с чрезвычайно малой длиной волны, менее 0.1 Ангстрем (единица измерения расстояний, равная 10^-10 м).

Для испускания гамма-лучей требуются колоссальные запасы энергии, поэтому, как и в рентгеновской астрономии, их источниками становятся "экзотические" объекты.

Гамма-астрономия изучает высокопроникающее электромагнитное гамма-излучение, приходящее из космоса.

"Экзотические" объекты

Экзотические" объекты - это космические источники радио, оптического, рентгеновского и гамма излучений.

Квазары

Слово квазар появилось в 60-х годах. Так стали называть нечто похожее на звезду, которая в отличие от обычных звёзд имеет сверхмощное радиоизлучение. Она находится так далеко, что в телескопы её можно увидеть только потому, что мощность её невообразимо велика - много больше, чем у огромных галактик (и даже, можно добавить сегодня, больше, чем у огромных скоплений и сверхскоплений галактик).

Сверхновые звезды не имеют такой яркости. Водородная бомба, размером больше, чем наше Солнце, не имела бы такой яркости в момент взрыва, каковую имеет эта квазизвезда постоянно и вечно.

Чёрные дыры

Чёрная дырам - область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). астрономия наблюдательная теоретическая вселенная

Вопрос о реальном существовании чёрных дыр тесно связан с тем, насколько верна теория гравитации, из которой следует их существование. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой экспериментально, является общая теория относительности (ОТО), уверенно предсказывающая возможность образования чёрных дыр, но их существование возможно и в рамках других (не всех) моделей.

Важнейшее свойство черной дыры - что бы в нее ни попало, обратно оно не вернется. Это касается даже света, вот почему черные дыры и получили свое название: тело, поглощающее весь свет, падающий на него, и не испускающее собственного кажется абсолютно черным. Согласно общей теории относительности, если объект приближается к центру черной дыры на критическое расстояние - это расстояние называется радиусом Шварцшильда. (Немецкий астроном Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild, 1873-1916) в последние годы своей жизни, используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, рассчитал гравитационное поле вокруг массы нулевого объема.), - он уже никогда не сможет вернуться назад. Для массы Солнца радиус Шварцшильда составляет 3 км, то есть, чтобы превратить наше Солнце в черную дыру, нужно уплотнить всю его массу до размера небольшого городка!

Нейтронная звезда

- астрономический объект, является одним из конечных продуктов эволюции звёзд, состоит из нейтронной сердцевины и тонкой коры вырожденного вещества с преобладанием ядер железа и никеля. Масса нейтронной звезды практически такая же, как и у Солнца, но радиус всего 10 км. Поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8?1017 кг/м?). Считается, что нейтронные звезды рождаются во время вспышек сверхновых. Если наполнить чайную ложку веществом, из которого состоят нейтронные звезды, то её вес будет 110 миллионов тонн.

Нейтронные звёзды - одни из немногих астрономических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями. В 1933 году астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки предположили, что нейтронные звёзды могут образовываться в результате взрыва сверхновой. Теоретические расчеты того времени показали, что излучение нейтронных звёзд слишком слабо, и их невозможно обнаружить. О нейтронных звёздах на время забыли. В 1967 году Джоселин Белл (англ. Jocelyn Bell Burnell), аспирантка Э. Хьюиша, открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Этот феномен был объяснён как узко направленный радиолуч от быстро вращающего объекта - своеобразный "космический маяк". Но обычные звёзды разрушились бы от столь высокой скорости вращения. На роль таких маяков могли подходить только нейтронные звезды. Пульсар PSR B1919+21 считается первой открытой нейтронной звездой.

Проблемы современной астрономии

В планетарной астрономии:

До сих пор нет точного решения многих частных проблем космогонии: как сформировалась Луна, как образовались кольца вокруг планет-гигантов, почему Венера вращается очень медленно и в обратном по отношению к другим планетам направлении и др.

Нет общепринятого решения главной проблемы: как возникла Солнечная система? Вряд ли она будет решена до тех пор, пока не изучим аналогичные планетные системы у других звезд.

В звездной астрономии:

- Не существует детальной модели Солнца, способной точно объяснить все его наблюдаемые свойства, в частности поток нейтрино из ядра.

- Нет детальной физической теории некоторых проявлений звездной активности. Не до конца ясна причина взрыва сверхновых звезд. Не совсем понятно, почему из окрестностей некоторых звезд выбрасываются узкие струйки газа. Особенно загадочным являются короткие вспышки гамма-излучения, регулярно регистрируемые в различных направлениях на небе. Не ясно даже, связаны они со звездами или с иными объектами, и на каком расстоянии от нас эти объекты находятся.

В галактической астрономии:

- Не решена проблема скрытой массы, состоящая в том, что гравитационное поле Галактики в несколько раз сильнее, чем это может быть обеспечено наблюдаемым в ней веществом.

- Нет точного сценария происхождения и эволюции Галактики.

Во внегалактической астрономии:

- Не решена проблема скрытой массы в скоплениях галактик.

- Нет единой теории формирования галактик.

- Не решены основные проблемы космологии: нет законченной физической теории рождения Вселенной и не ясна судьба Вселенной в будущем.

Для решения этих и многих других проблем астрономии необходимы прежде всего новые наблюдения во всем диапазоне электромагнитного спектра, а также регистрацию космических частиц (включая нейтрино) и гравитационных волн. Главная задача астрономов - создание все более совершенных приборов для наблюдения за космическими объектами или для непосредственного их изучения в Солнечной системе.

Размещено на Allbest.ru