Сучасна астрономія

Вступ

Даний реферат присвячений сучасним питань астрономії - тієї галузі знань, які за останні роки дали найбільшу кількість науково-технічних відкриттів.

Вся історія вивчення Всесвіту є, по суті, пошук засобів, що поліпшують людське зір. До початку XVII століття неозброєний очей був єдиним оптичним інструментом астрономів. Вся астрономічна техніка стародавніх зводилася до створення різних кутомірні інструментів, як можна більш точних і міцних. Вже перші телескопи відразу різко підвищили роздільну здатність і Проницающая людського ока. Всесвіт виявилася зовсім іншою, ніж вона здавалася до тих пор. Поступово були створені приймачі невидимих випромінюванні і в даний час Всесвіт ми сприймаємо в усіх діапазонах електромагнітного спектра - від гамма-променів до наддовгих радіохвиль.

Більш того, створені приймачі корпускулярних випромінювань, що вловлюють найдрібніші частинки -- корпускули (в основному ядра атомів і електрони), що приходять до нас від небесних тел. Якщо не боятися алегорій, можна сказати, що Земля стала пильніше, її "Очі", тобто сукупність всіх приймачів космічних випромінювань, здатні фіксувати об'єкти, від яких до нас промені світла доходять за багато мільярдів років.

Завдяки телескопів та інших інструментів астрономічної техніки людина за три з половиною століття проник в такі космічні дали, куди світло - найшвидше, що є в цьому світі - може дістатися лише за мільярди років! Це означає, що радіус досліджуваної людством Всесвіту росте зі швидкістю, у величезне число разів перевершує швидкість світла!

1. Спектральний аналіз небесних тіл

Могутньою зброєю про дослідження Всесвіту став для астрономів спектральний аналіз - вивчення інтенсивності випромінювання в окремих спектральних лініях, в окремих ділянках спектру. Спектральний аналіз є найважливішим засобом для дослідження всесвіту. Спектральний аналіз є методом, за допомогою якого визначається хімічний склад небесних тіл, їх температура, розміри, будова, відстань до них і швидкість їх руху. Спектральний аналіз проводиться з використанням приладів спектрографа і спектроскопа. За допомогою спектрального аналізу визначили хімічний склад зірок, комет, галактик і тіл сонячної системи, тому що в спектрі кожна лінія чи їхня сукупність характерна для якого-небудь елемента. По інтенсивності спектра можна визначити температуру зірок і інших тіл.

За спектром зірки відносять до того чи іншого спектрального класу. За спектральної діаграмі можна визначити видиму зоряну величину зорі, а далі користуючись формулами знайти абсолютну зоряну величину, світність, а значить і розмір зірки.

Але у своєму прагненні пояснити природу небесних тіл астрономи не зрушили б з місця ні на крок, якби вони не знали як виникають у світових просторах електромагнітні хвилі тієї чи іншої частоти. Сьогодні вже відомо кілька зовсім різних механізмів генерування електромагнітного випромінювання. Один з них пов'язаний з рухом електронів у полі атомних ядер - це тепловий механізм Тут інтенсивність випромінювання визначається температурою частини та їх концентрацією в одиниці об'єму. Cінхротронное випромінювання виникає при гальмуванні в магнітному полі релятивістських електронів, тобто електронів, швидкості руху яких близькі до швидкості світла. Електромагнітні хвилі виникають і при загасання механічних коливань неоднорідної плазми (ионизованного газу), і при переході швидких частинок через кордон двох середовищ.

Зі сказаного випливає, що недостатньо зареєструвати випромінювання якогось об'єкта в певній довжині хвилі. Необхідні дослідження в широкому діапазоні довжин хвиль і все сторонній аналіз отриманих результатів. Сьогодні астрономи, озброєні сучасної ракетною технікою, потужними оптичними і радіотелескопами, складною теорією механізмів випромінювання, ведуть широке вивчення Всесвіту в цілому та її окремих частин. Астрономи переконані в тому, що вони правильно розуміють природу процесів, що відбуваються далеко за межами наших земних лабораторій ...

2. Небо в рентгенівських променях

До недавнього часу (положення почало суттєво змінюватися лише трохи більше тридцяти років тому) поняття "астрономічні спостереження" було тотожне поняттю "Оптичні спостереження неба".

Тим часом ще в останньому році XVIII ст. В. Гершель відкрив випромінювання Сонця, що лежить за межами видимого спектру. Це було інфрачервоне випромінювання, але його електромагнітна природа стала зрозумілою багато років по тому.

У 1801 р. І. Ріттер вивчав вплив фіолетового випромінювання Сонця на хлористе срібло і несподівано виявив, що відновлення окису срібла продовжується навіть тоді, коли платівка розташована в "темної" області, далі за фіолетової. Так було відкрито ультрафіолетове випромінювання Сонця, природа якого теж залишалася неясною.

Лише в шістдесятих роках XIX ст. Д. Максвелл прийшов до висновку, що крім видимого електромагнітного випромінювання (звичайного видимого світла) можуть існувати і інші його види, не видимі оку і відрізняються лише довжиною хвилі.

Умовно електромагнітне випромінювання поділяють на кілька діапазонів. Найбільшою довжиною (більше 10-3 м) мають радіохвилі. Діапазон від 0,65 мкм до 1 мм - область інфрачервоного випромінювання. "Оптичне вікно" - від 0,39 до 0,65 мкм. Ще коротше довжини хвиль ультрафіолетового випромінювання, вони тягнуться приблизно до 0,05 мкм. В області ще більш коротких довжин хвиль прилади здатні реєструвати буквально кожен фотон, і тому прийнято в рентгенівському і жорсткіших діапазонах (тобто в області більш високих енергій фотонів) використовувати НЕ довжини хвиль, а відповідні їм енергії фотонів. Так, фотон з довжиною повні 0,05 мкм володіє енергією 4 · 10-17 джоулів (Дж) або 0,025 кілоелектронвольт (кеВ). Область енергій фотонів від 0,025 до 1 кеВ - це область м'якого рентгенівського випромінювання, 1-20 кеВ - "класичний" рентгенівський діапазон; саме в цьому діапазоні були проведені найбільш ефективні дослідження неба.

Яке це було б прекрасне видовище, якби ми могли побачити своїми очима в небо рентгенівських променях! Нехай навіть ми могли б бачити лише зірки яскравіше 6-й зоряної величини, як і в оптичному діапазоні. На рентгенівському небі, у відміну від оптичного, таких зірок трохи менше - близько 700 проти 6000. Самая рентгенівська яскрава зірка світить подібно Венері. Але, на відміну від Венери, яка блищить спокійно, ми бачили б, як найяскравіша зірка на рентгенівському небі за лічені хвилини стає яскравішим або зменшує свій блиск. Ми бачили б гру яскравості у багатьох рентгенівських зірок. Ми бачили б, як на небі спалахують і гаснуть зірки - одні за секунду, інші за хвилини, третя за години. Інші зірки видно завжди, інші - лише кілька тижнів або місяців. Ми бачили б зірку, яка спалахує і гасне тисячі разів на добу. Ми бачили б яскраві туманності і величезні дуги випромінювання - нічого схожого немає на оптичному небосхилі. Щоправда, на рентгенівському небі немає яскравої туманною смуги Молочного Шляхи-небо світиться майже рівномірно в усіх своїх частинах. Ми бачили б безліч слабких зірок, розкиданих по небу, і знали б, що це дуже далекі об'єкти - на оптичному небі неозброєний погляд не здатний їх побачити.

Рентгенівські зірки збираються у сузір'я, яким ніхто не дав і, мабуть, так і не дасть на звань - поетичні часи в астрономії давно пройшли. Астрономи - люди тверезі, які віддають перевагу точне знання поетичних узагальнень.

Дослідження рентгенівського неба принесло для нашого точного знання про Всесвіт величезний матеріал. Особливо про тих небесних тілах, які суттєво (а то і принципово!) відрізняються від звичайних зірок, що сяють на оптичному нічному небі, Ймовірно, врешті-решт і без рентгенівських спостережень астрономи звернули б увагу на дивні зірки Н2 Геркулеса, або НDЕ 226808, або Х Персея. Але знання наші залишилися б при цьому надзвичайно неповними. Ми могли б підозрювати, що в цих системах є щось незвичайне - наприклад, аномально велика невидима маса. Але що відбувається в околиці цієї маси? Може бути, це звичайна зірка, просто її випромінювання слабке і губиться на тлі перших компоненти? Навряд чи нам вдалося б дізнатися про це. І вже зовсім ми не могли б нічого сказати про те, що відбувається в центрі нашої Галактики - області, не видимої в оптичних променях.

Втім, радіоастрономи можуть сказати те ж про радіонебе. І в гамма-області небо теж своєрідно і додає до наших знань про Всесвіт свою сторінку.

Всесвіт єдина - Це люди розділили випромінювання небесних тіл на штучні діапазони, тому що не здатні сприймати світ відразу в усьому багатстві фарб, від м'якої "Акварелі" радіонебом до пекучих квітів гамма-променів. Ми складаємо картину Всесвіту подібно мозаїці, і дані рентгенівських спостережень - лише один з елементів. Вивчення небесних тіл і явищ зараз приносить найбільші плоди, коли всі діапазони електромагнітного спектра виявляються використаними. Усехвильові астрономія стала абсолютно необхідна, і вона з'явилася.

Відкриття, зроблене в якомусь одному діапазоні, відразу призводить до активізації досліджень в інших діапазонах. Кульові зоряні скупчення вивчалися багато років, і несподіванок тут не передбачалося. Але ось були відкриті в них рентгенівські джерела, і кульові скупчення відразу привернули загальну увагу. Різкий стрибок досліджень, різкий стрибок у нашому розумінні природи цих утворень. Багато років досліджувалися подвійні системи - криві блиску, перетікання речовини, властивості зірок. Але от у подвійних системах були відкриті рентгенівські джерела, і астрофізики зрозуміли, що знання, що здавалися такими значним, насправді малі. Послідував різке зростання числа досліджень подвійних систем - не тільки в рентгенівському, але в оптичному, інфрачервоному, радіодіапазоні. Фронт науки не терпить відставання - якщо в одній області відбувається прорив уперед, на нові рубежі, всі інші повинні не повільно підтягнутися, інакше картина світу виявиться клочковатой або просто суперечливою. В останні роки саме рентгенівські дослідження часто були кидками у невідоме, саме вони "Тягнули" за собою фронт астрофізичної науки.

Перше знайомство з рентгенівським небом за скінчилося - так Галілей, оглянувши небо в перший телескоп, зрозумів, що перед ним новий світ, і, оговтавшись від потрясінь, приступив до його систематичного вивчення. Вивченню, що призвело до сучасної оптичної астрономії. Те ж перед стоїть тепер і в астрономії рентгенівської.

І недалеко час, коли астрономи перестануть ділити випромінювання на діапазони, коли небо відкриється відразу всіма кольорами. Небо в рентгенівських променях чудово - але ми побачимо Небо та здивувався, і застинем на деякий час, вбираючи побачене .. А потім - за роботу.

3. Радіоастрономія

Зародження радіоастрономії

грудня 1931 року ... В одній з американських лабораторій її співробітник Карл Янський вивчає атмосферні перешкоди радіотрансляції. Нормальний хід радіопередачі на хвилі 14,7 м порушений шумами, інтенсивність яких не залишається постійною.

Поступово з'ясовується загадкова періодичність - кожні 23 години 56 хвилин перешкоди стають особливо сильними. І так день у день, з місяця в місяць.

Втім, загадка швидко знаходить своє рішення. Дивний період в точності дорівнює тривалості зоряних доби в одиницях сонячного часу. Ясніше кажучи, через кожні 23 години 56 хвилин за звичайними годинах, що відлічує сонячний час, земна куля робить повний оборот навколо осі, і всі зірки знову повертаються в початкове положення щодо горизонту будь-якого пункту Землі.

Звідси Янський робить природний висновок: прикрі перешкоди мають космічне походження. Якась таємнича космічна "радіостанція" раз на добу займає таке положення на небі, що її радіопередача досягає найбільшої інтенсивності.

Янський намагається відшукати об'єкт, що викликає радіоперешкоди І, незважаючи на недосконалість приймальні радіоапаратури, винуватець знайдено. Радіохвилі виходять із сузір'я Стрільця, того самого, у напрямку якого знаходиться ядро нашої зоряної системи -- Галактики.

Так народилася радіоастрономія - один з найбільш захоплюючих галузей сучасної астрономії.

Розвиток радіоастрономії

Перші п'ятнадцять років радіоастрономія майже не розвивалася. Багатьом було ще не ясно, чи принесуть радіометоди яку-небудь істотну користь астрономії.

вибухнула друга світова війна призвела до стрімкого зростання радіотехніки. Радіолокатори були прийняті на озброєння усіх армій. Їх вдосконалювали, всіляко прагнули підвищити чутливість, зовсім не припускаючи, звичайно, використовувати радіолокатори для дослідження небесних тіл.

Радянські вчені академіки Л.І. Мандельштам і Н.Д. Папалексі теоретично обгрунтували можливість радіолокації Місяця ще в 1943 році.

Це було перше радіоастрономічних досліджень в Радянському Союзі. Два роки по тому (у 1946 році) воно було перевірено на практиці спочатку в США, а потім в Угорщині. Радіохвилі, послані людиною, досягли Місяця і, відбившись від неї, повернулися на Землю, де були схоплені чутливим радіоприймачем.

Наступні десятиліття - це період надзвичайно швидкого прогресу радіоастрономії. Його можна назвати тріумфальним, оскільки щорічно радіохвилі приносять з космосу дивні відомості про природу небесних тіл. На порівняно короткому інтервалі часу, починаючи з 50-х рр.., в радіоастрономії досягнуто значного прогрес. Дозвіл від 1-10 уг. хв. дійшло до 0.1 тис. уг. сек і значно перевершує можливості оптичної астрономії. Чутливість від 1-10 Ян підвищилася до 1 мкЯн. Спостереження проводяться в діапазоні від 0.01 до 300-400 ГГц. Одночасно приймається смуга частот від 100-200 кГц доведена до 1-10 ГГц. Радіоастрономія має такі, а щодо деяких проблем і великі за порівняно з оптикою, можливості проникнення в глибини Всесвіту.

Перспективи радіоастрономічних досліджень

Прогрес радіоастрономічних досліджень визначається рівнем експериментальної техніки. Можна вказати на два досягнення, які є основою сучасної радіоастрономії.

Перше: розробка апертурного синтезу і синтезованих радіотелескопів, розробка Радіоінтерферометрії з надвеликої базою. Сенс цих систем полягає в тому, що сигнали, прийняті різними антенами, певним чином складаються. У підсумку вдається відтворити картину, яку дала б одна велика гостронаправлених антена. І ось результат - в радіоастрономії отримана роздільна сила в десятитисячне частки кутової секунди, що на кілька порядків вище дозволу наземних оптичних телескопів.

Друге: розробка на основі ЕОМ багатоканальних систем космічної радіоспектроскопії, створення радіотелескопів-спектрометрів. Ці інструменти дозволили досліджувати структуру мазерних джерел, відкрити в космосі більше 50 різних органічних молекул, у тому числі складні молекули, що складаються більш ніж з десятки атомів.

Через 50 років, мабуть, будуть відкриті (якщо вони є) планети у найближчих до нас 5-10 зірок. Швидше за все їх виявлять в оптичному, інфрачервоному і субміліметровому діапазонах хвиль з позаатмосферних установок.

У майбутньому з'являться міжзоряні кораблі-зонди для польоту до однієї з найближчих зірок у межах відстані 5-10 світлових років, зрозуміло, до тієї, біля якої будуть виявлені планети. Такий корабель буде рухатися зі швидкістю не більше 0,1 швидкості світла за допомогою термоядерного двигуна.

В радіоастрономії будуть використовуватися гігантські космічні системи апертурного синтезу з розмірами радіотелескопів більше 100 метрів і відстанню між ними до декількох сотень тисяч кілометрів (зараз найбільшу відстань між радіотелескопами обмежена розмірами Землі).

У першій третині XXI ст. буде обговорюватися проблема обмеження виробництва термоядерної енергії, яка на той час стане домінуючою, зроблять також серйозні кроки, щоб використовувати фонову енергію, що існує на Землі завжди (енергію вітру, припливів, сонячну енергію і т.п.), утилізація якої не призводить до додаткового нагрівання планети.

Ймовірно, будуть побудовані спеціальні великі радіотелескопи для спостереження і пошуку електромагнітних сигналів розумного (штучного) походження в усьому перспективному діапазоні хвиль, проведені спостереження сигналів від значної частини зірок Галактики, отримає подальший розвиток теорія виникнення і еволюції позаземних цивілізацій.

Радіоастрономія використовує зараз найвідчутніші приймальні пристрої і найбільші антенні системи. Радіотелескопи проникли в такі глибини космосу, які поки залишаються недосяжними для звичайних оптичних телескопів. Радіоастрономія стала невід'ємною частиною сучасного природознавства. Перед людством розкрився радіокосмос - картина Всесвіту в радіохвилях.

Як відомо, успіхи в радіоастрономії головним чином визначаються можливостями отримати високу чутливість і роздільну здатність. З оптичної астрономії настав поділ інструментів на два класи: рефлекторів і рефракторів. У середині 50-х років велася активна дискусія, які системи краще розвивати в радіоастрономії, де коротший і дешевший шлях досягнення високої роздільної здатності та чутливості.

Кожна наука вивчає певні явища природи, використовуючи свої методи і засоби. Для радіоастрономії об'єктом вивчення є весь неосяжний космос, все незліченна безліч небесних тіл. Правда, це вивчення кілька одностороннє - воно ведеться лише за допомогою радіохвиль. Але і в такому "розрізі" Всесвіт виявляється нескінченно різноманітною, невичерпної для дослідника.

4. Оптичні спостереження

Людському віч-доступна вузька область довжин хвиль електромагнітного спектру випромінювання - від 0,39 до 0,65 мкм. Це дуже невелика щілину, крізь яку люди протягом тисячоліть заглядали у Всесвіт. Але скільки потрясли уяву відкриттів принесли ці спостереження!

Протягом декількох тисячоліть астрономи обмежувалися визначенням положень світил на небесній сфері та оцінкою їх блиску неозброєним оком. Нині в їх розпорядженні потужні прилади, що дозволяють вловлювати буквально окремі кванти світла, що йдуть від далеких зоряних систем.

Деякий час найбільшими з астрономічних телескопів були 250-сантиметровий рефлектор обсерваторії Маунт Вільсон і 500-сантиметровий рефлектор Паломарской обсерваторії в США.

Сьогодні найбільшим у Європі є телескоп рефлектор з діаметром дзеркала 600 см. Він встановлений на. Північному Кавказі, поблизу станиці Зеленчукская. Ось деякі його технічні характеристики: вага дзеркала близько 40т, фокусна відстань - 24 м, вага інструменту разом з монтуванням - понад 850 т. Телескоп обертається навколо горизонтальної та вертикальної осей. Комп'ютер перераховує координати світила з екваторіальній в горизонтальну систему координат і подасть відповідні команди на керуючу механічну систему, що обертається інструмент слідом за цим світилом.

До останнього часу найбільш поширеною оптичною системою телескопів була система Кассегрена У такому телескопі головне дзеркало має форму параболоїда. Відбившись від нього, світлові промені повертаються сходяться в одному пучком тому, потрапляють на менше опукле гіперболічної дзеркало, знову змінюють напрямок свого руху і, пройшовши через отвір в головному дзеркалі, збираються позаду нього в фокальній площині.

Кілька років тому в США (обсерваторія Кітт-Пік), а потім в Австралії (обсерваторія Сайдинг-Спрінг) введені в дію телескопи системи Річі-Кретьєна з діаметрами дзеркал 400 см. У цій системі як головне, так і допоміжне дзеркала мають гіперболічний форму. Це значно зменшує довжину труби телескопа, полегшує його монтування, а діаметр поля зору збільшується в 5-10 разів Аналогічний телескоп встановлений в Канаді на горі Коба. У Чилі американські вчені встановлюють телескоп цієї ж системи з діаметром головного дзеркала 400 см, а на так званій Об'єднаної Європейської обсерваторії (там же) встановлюється телескоп з діаметром 360 см. Відзначимо, що вартість 4-метрового гіганта оцінюється в 10 млн. доларів.

Зараз в різних країнах будується близько 8 телескопів з D> 3 м і більше, 20 - з D> 1 м. У Зокрема, потужність сучасного телескопа оцінюється такою цифрою: у 6-метровий телескоп можна побачити зірки до 24m. Світловий потік від цих об'єктів у 6 млн. разів менше, ніж від зірок 6-ї величини.

Тепер у світі налічується близько 1000 астрономічних обсерваторій і станцій спостережень за штучними супутниками Землі. Майже 100 з них - у Росії. Своїми дослідженнями здобули світове визнання Пулковська астрономічна обсерваторія, Кримська астрофізична обсерваторія, Бюраканська астрофізична обсерваторія, Державний астрономічний інститут імені Штернберга (Москва) та багато інші.

На мільярди світлових років (світловий рік - це, 9.460 Х 1012 км) проникає зараз у Всесвіт очей спостерігача. Найслабкіші об'єкти, доступні сучасним телескопам, мають приблизно 24-у зоряну величину. Найяскравіший світило на небі (виключаючи Сонце та Місяць) - планета Венера - у періоди найбільшої яскравості має зоряну величину, рівну -4. Значить, блиск найслабшою з галактик в 150 мільярдів разів менше блиску Венери. Такий "проникною погляд" оптичної астрономії.

5. Інші методи спостережень

Про все, що відбувається навколо нас, про далеких зоряних і галактичних світах розповідають нам світлові промені. Але в наш час візуальні спостереження небесних світил проводяться дуже рідко. Більш ефективними виявилися фотографічні та фотоелектричні методи спостережень. Можливості фотографічного методу дійсно казкові: адже при тривалому фотографуванні кількість квантів, поглинених фотоемульсій, зростає. Зокрема, за допомогою 6-метрового телескопа можна отримати зображення зірок до 20m при експозиції всього 10 хвилин. До того ж на одній платівці фіксуються зображення багатьох тисяч об'єктів, кожний з яких свого часу може стати чимось цікавим.

В останні роки все більше використовується фотоелектричний метод посадка слабких світлових потоків. У цьому випадку пучок світла спрямовується не на фотопластинку, а на фотокатод (металеву пластинку, вмонтовану в скляний балон). Для астрономічних спостережень сьогодні використовуються дуже чутливі фотопомножувач, здатні реєструвати дуже слабкі світлові потоки. Так, сучасні фотопомножувач, встановлені на 5 метровому телескопі, реєструють швидкі зміни яскравості об'єктів до 24-ї видимої величини.

Величезний виграш у часі фотографування слабких об'єктів дають електронно-оптичні перетворювачі (ЕОП). Дуже перспективним виявився телевізійний метод.

Велике значення має дослідження хімічного складу зірок шляхом ретельного аналізу їх спектрів. При цьому необхідно враховувати температуру і тиск в поверхневих шарах зірок, які також отримують з спектрів. Взагалі спектрографіческіе спостереження дають найбільш повну інформацію про умови, пануючих в зоряних атмосферах.

Висновок

2000 років тому тому відстань Землі від Сонця, згідно Аристарх Самоський, становило близько 361 радіуса Землі, тобто близько 2.300.000 км. Аристотель вважав, що "сфера зірок "розміщується в 9 разів далі. Таким чином, геометричні масштаби світу 2000 років тому "вимірювалися" завбільшки з 20.000.000 км.

За допомогою сучасних телескопів астрономи спостерігають об'єкти, що перебувають на відстані близько 10 млрд. світлових років, що складає 9,5-1022 км. Таким чином, за згаданий проміжок часу масштаби світу "виросли" в 5-1015 разів.

Згідно візантійським християнським богословам (середина IV століття н.е.) світ був створений 5508 років до н.е., тобто менш ніж 7,5 тис. років тому.

Сучасна астрономія дала докази того, що вже близько 10 млрд. років тому доступна для астрономічних спостережень Всесвіт існував у вигляді гігантської системи галактик. Масштаби в часі "виросли" в 13 млн. разів.

Але головне, звичайно, не в цифровому зростанні просторових і часових масштабів, хоча і від них захоплює подих. Головне в тому, що людина, нарешті, вийшов на широкий шлях розуміння дійсних законів світобудови.

Список літератури

Шкловський І.С.. Всесвіт, життя, розум. М.: "Наука" 1980 г.

Бакулін К.М. Курс загальної астрономії. М. 1987

Климишин І. А.. Астрономія вчора і сьогодні. Київ. 1977

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://referat2000.bizforum.ru/