Размещено на http://www.allbest.ru/

Предмет и задачи астрономии

Содержание

• Введение
• 1. Современная структура астрономии
• 2. История развития астрономии
• 3. Основа и источник астрономических исследований

Введение

Астрономия - наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение, развитие небесных тел и образованных ими систем. Слово "астрономия" происходит от двух греческих слов: буфспн - звезда и ньмпт - закон. В частности, астрономия изучает Солнце, планеты Солнечной системы и их спутники, астероиды, кометы, метеориты, межпланетное вещество; звёзды и внесолнечные планеты, туманности, межзвёздное вещество, галактики и их скопления, пульсары, квазары, чёрные дыры, экзопланеты и многое другое.

Данные о строении и развитии небесных тел, об их положении и движении в пространстве позволяют получить представление о строении Вселенной в целом.

В астрономии решаются три основные задачи, требующие последовательного подхода:

* изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве. Определение их размеров и формы;

* изучение строения небесных тел, исследование химического состава и физических свойств вещества в них;

* решение проблемы происхождения и развития отдельных тел и образуемых ими систем.

Вопросы первой задачи решаются путем длительных наблюдений, начатых еще 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 небесных тел, сравнительно близких к Земле.

О физическом строении небесных тел мы знаем гораздо меньше. Решение некоторых вопросов, принадлежащих второй задаче, впервые стало возможным немногим более ста лет назад, а основных проблем - лишь в последние годы.

Третья задача сложнее двух предыдущих. Для решения ее проблем накопленного наблюдательного материала пока еще далеко не достаточно, и наши знания в этой области астрономии ограничиваются только общими соображениями и рядом более или менее правдоподобных гипотез.

1. Современная структура астрономии

Современная астрономия подразделяется на ряд отдельных разделов, которые тесно связаны между собой, и такое разделение астрономии, в известном смысле, условно.

Главнейшими разделами астрономии являются:

1. Астрометрия - наука об измерении пространства и времени. Она состоит из:

а) сферической астрономии, разрабатывающей математические методы определения видимых положений и движений небесных тел с помощью различных систем координат, а также теорию закономерных изменений координат светил со временем;

б) фундаментальной астрометрии, задачами которой являются определение координат небесных тел из наблюдений, составление каталогов звездных положений и определение числовых значений важнейших астрономических постоянных, т.е. величин, позволяющих учитывать закономерные изменения координат светил;

в) практической астрономии, в которой излагаются методы определения географических координат, азимутов направлений, точного времени и описываются применяемые при этом инструменты.

2. Теоретическая астрономия дает методы для определения орбит небесных тел по их видимым положениям и методы вычисления эфемерид (видимых положений) небесных тел по известным элементам их орбит (обратная задача).

3. Небесная механика изучает законы движений небесных тел под действием сил всемирного тяготения, определяет массы и форму небесных тел и устойчивость их систем.

Эти три раздела в основном решают первую задачу астрономии, и их часто называют классической астрономией.

4. Астрофизика изучает строение, физические свойства и химический состав небесных объектов. Она делится на:

а) практическую астрофизику, в которой разрабатываются и применяются практические методы астрофизических исследований и соответствующие инструменты и приборы;

б) теоретическую астрофизику, в которой на основании законов физики даются объяснения наблюдаемым физическим явлениям.

Ряд разделов астрофизики выделяется по специфическим методам исследования.

5. Звездная астрономия изучает закономерности пространственного распределения и движения звезд, звездных систем и межзвездной материи с учетом их физических особенностей.

В этих двух разделах в основном решаются вопросы второй задачи астрономии.

6. Космогония рассматривает вопросы происхождения и эволюции небесных тел, в том числе и нашей Земли.

7. Космология изучает общие закономерности строения и развития Вселенной.

2. История развития астрономии

Астрономическая деятельность прослеживается в источниках по крайней мере с IV тыс. до н. э, а, скорее всего, началась гораздо раньше. Отдельные особенности мегалитических сооружений и даже наскальных рисунков первобытных людей истолковываются как астрономические. Наблюдая периодические изменения на небесной сфере (движущихся светил, комет, метеоров и т. д.), люди заметили их связь со сменой сезонов на Земле. Это натолкнуло на мысль, что небесные движения связаны и с другими земными явлениями - влияют на земную историю или предсказывают важнейшие события - рождение царей, войны, голод, эпидемии и др. Доверие к астрологическим фантазиям значительно содействовало развитию научной астрономии, поскольку иначе обосновать властям практическую пользу от наблюдений за небом было бы нелегко. Древнейшими астрономическими изобретениями были гномон (шест для измерения высоты Солнца по длине тени) и календарь. Позже появились угломеры различных систем.

240 г. до н. э.: Эратосфен, греческий мыслитель, довольно точно измерил длину земной окружности и наклон эклиптики к экватору (т.е наклон земной оси); он также предложил систему високосов, позже названную юлианским календарём;

Предположительно, с 127 по 151 г. до н. э.: в основном своём труде "Математическое построение", известном под арабизированным названием Альмагест (на древнегреческом З мегЬлз Уэнфбойт), Птолемей изложил собрание астрономических знаний древней Греции и Вавилонии. Птолемей сформулировал (если не передал сформулированную Гиппархом) довольно сложную геоцентрическую модель Солнечной системы с эпициклами, которая была принята в западном и арабском мире до создания гелиоцентрической системы Николая Коперника;

46 год до н. э.: введен юлианский календарь, разработанный александрийским астрономом Созигеном по образцу египетского гражданского. Летоисчисление Рима велось от легендарного основания Рима - с 21 апреля 753 года до н. э.;

1530 год: завершение главного труда поляка Николая Коперника "De Revolutionibus Orbium Caelestium". По структуре главный труд Коперника почти повторяет "Альмагест" в несколько сокращённом виде (6 книг вместо 13). В первой книге также приведены аксиомы, но вместо положения о неподвижности Земли помещена иная аксиома - Земля и другие планеты вращаются вокруг оси и вокруг Солнца. Эта концепция подробно аргументируется, а "мнение древних" более или менее убедительно опровергается. С гелиоцентрических позиций Коперник без труда объясняет возвратное движение планет. Далее приводится тот же материал, что и у Птолемея, лишь немного уточнённый: сферическая тригонометрия, звёздный каталог, теория движения Солнца и Луны, оценка их размеров и расстояния до них, теория прецессии и затмений. В книге III, посвящённом годовому движения Земли, Коперник делает эпохальное открытие: объясняет "предварение равноденствий" смещением направления земной оси. В книгах V и VI, посвящённых движению планет, благодаря гелиоцентрическому подходу стало возможно оценить средние расстояния планет от Солнца, и Коперник приводит эти данные, довольно близкие к современным. Система мира Коперника, с современной точки зрения, ещё недостаточно радикальна. Все орбиты круговые, движение по ним равномерное, так что эпициклы пришлось сохранить - правда, вместо 80 их стало 34. Механизм вращения планет сохранён прежним - вращение сфер, к которым прикреплены планеты. Но тогда ось Земли в ходе годичного вращения должна поворачиваться, описывая конус; чтобы объяснить смену времён года, Копернику пришлось ввести третье (обратное) вращение Земли вокруг оси, перпендикулярной эклиптике, которое использовал также для объяснения прецессии. На границу мира Коперник поместил сферу неподвижных звёзд. Строго говоря, модель Коперника даже не была гелиоцентрической, так как Солнце он расположил не в центре планетных сфер.;

1585 - 1601 год: Тихо Браге, датский астроном, ведет наблюдения за планетой Марс.

1608 год: в Голландии была изобретена зрительная труба;

Лето 1609 года: Галилей, итальянский ученый, самостоятельно построил значительно усовершенствованный её вариант, создав первый в мире телескоп-рефрактор. Увеличение телескопа сначала было трёхкратным, позднее Галилей довёл его до 32-кратного. Сенсационные результаты своих исследований Галилей изложил в серии статей"Звёздный вестник" (1610), вызвав среди учёных настоящий шквал оптических наблюдений за небом. Оказалось, что Млечный путь состоит из скоплений отдельных звёзд, что на Луне есть горы (высотой до 7 км, что близко к истине) и впадины, на Солнце есть пятна, а у Юпитера - спутники (термин "спутник" ввёл позже Кеплер). Особенно важным было открытие, что Венера имеет фазы; в системе Птолемея Венера как "нижняя" планета была всегда ближе к Земле, чем Солнце, и "полновенерие" было невозможно. Галилей отметил, что диаметр звёзд, в отличие от планет, в телескопе не увеличивается, а некоторые туманности, даже в увеличенном виде, не распадаются на звёзды; это явный признак, что расстояния до звёзд колоссальны даже по сравнению с расстояниями в Солнечной системе. Галилей обнаружил у Сатурна выступы, которые принял за два спутника. Потом выступы исчезли (кольцо повернулось), Галилей посчитал своё наблюдение иллюзией и не возвращался более к этой теме; кольцо Сатурна открыл в 1656 году Христиан Гюйгенс;

1609 год: в работе "Новая астрономия, или физика неба" Кеплер сформулировал два своих знаменитых закона:

1. Каждая планета описывает эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Рис. 1 Первый закон Кеплера.

2. Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём заметаемая её радиус-вектором секторная площадь пропорциональна времени обращения

Рис. 2 Второй закон Кеплера.

1619 год: в работе "Гармония мира", Кеплер сообщает, что открыл третий закон:

3. Квадраты времён обращения планет по орбите относятся как кубы их средних расстояний от Солнца

Рис. 3 Третий закон Кеплера.

1687: Исаак Ньютон формулирует закон тяготения и выводит из него все 3 закона Кеплера. Другим важнейшим следствием теории Ньютона стало объяснение, почему орбиты небесных тел немного отклоняются от кеплеровского эллипса. Эти отклонения особенно заметны для Луны. Причиной является влияние других планет, а для Луны - также и Солнца. Учёт этого позволил Ньютону открыть в движении Луны новые отклонения (неравенства) - годичное, параллактическое, попятное движение узлов и др. Ньютон весьма точно вычислил величину прецессии (50" в год), выделив в ней солнечную и лунную составляющие. Ньютон открыл причину хроматической аберрации, которую он ошибочно считал неустранимой; на самом деле, как позже выяснилось, применение нескольких линз в объективе может существенно ослабить этот эффект. Ньютон пошёл другим путём и изобрёл зеркальный телескоп-рефлектор; при небольшой величине он давал значительное увеличение и отличное чёткое изображение;

1781 год: Уильям Гершель, английский учёный немецкого происхождения, открыл седьмую планету - Уран и его спутники (1787);

1839 - 1840: в астрономии начинает применяться фотография (Дагерр и Араго получили снимки Луны). 1842: фотографирование Солнца, 1850: первая фотография звезды (Веги). 1858: первый фотопортрет кометы;

1846: величайшим триумфом ньютоновой механики стало открытие "на кончике пера" восьмой планеты - Нептуна. Честь открытия разделили кембриджский математик Адамс, французский астроном Леверье и наблюдатель - берлинский астроном Галле. Планета была обнаружена всего в 52' от указанного расчётами места. Почти немедленно У. Лассел (Англия) открывает и спутник Нептуна - Тритон;

1916 - 1918: теория внутреннего строения звёзд (Эддингтон);

1918: модель Шепли структуры Галактики, выведенная из наблюдений; правильно определены диаметр и положение центра; неожиданно для всех выяснилось, что Солнце находится на краю Галактики;

1927: Ж. Леметр публикует свою гипотезу расширения Вселенной;

1929: установлен закон Хаббла;

1945: красное смещение подтверждено и в радиодиапазоне (М. Райл, Англия);

1957: начало космической эры. Появилась возможность запуска космических лабораторий. Значение этих достижений астрономии трудно переоценить. Запуск искусственных спутников Земли. (1957, СССР), космических станций (1959, СССР), первые полеты человека в космос (1961, СССР), первая "высадка" людей на Луну (1969, США), - эпохальные события для всего человечества. За ними последовали доставка на Землю лунного грунта, посадка спускаемых аппаратов на поверхности Венеры и Марса, посылка автоматических межпланетных станций к более далеким планетам Солнечной системы.

3. Основа и источник астрономических исследований

космология астрофизика телескоп рефрактор

Основа астрономии - наблюдения. Наблюдения доставляют нам основные факты, которые позволяют объяснить то или иное астрономическое явление. Дело в том, что для объяснения многих астрономических явлений необходимы тщательные измерения и расчеты, которые помогают выяснению действительных, истинных обстоятельств, вызвавших эти явления. Так, например, нам кажется, что все небесные тела находятся от нас на одинаковом расстоянии, что Земля неподвижна и находится в центре Вселенной, что все светила вращаются вокруг Земли, что размеры Солнца и Луны одинаковы и т.д. Только тщательные измерения и их глубокий анализ помогают отрешиться от этих ложных представлений.

Основным источником сведений о небесных телах являются электромагнитные волны, которые либо излучаются, либо отражаются этими телами. Определение направлений, по которым электромагнитные волны достигают Земли, позволяет изучать видимые положения и движение небесных тел. Спектральный анализ электромагнитного излучения дает возможность судить о физическом состоянии этих тел.

Особенностью астрономических исследований является также и то, что до последнего времени у астрономов отсутствовала возможность постановки опыта, эксперимента (если не считать исследований упавших на Землю метеоритов и радиолокационных наблюдений), и все астрономические наблюдения производились только с поверхности Земли.

Размещено на Allbest.ru