Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Естественно-научная картина мира. Учебник
.pdf
121
ные, магнитные, электромагнитного излучения) и геометрические свойства самого космического пространства.
Целью астрофизических исследований является понимание строения, взаимодействия и эволюции небесных тел, их систем и Вселенной как целого. Основным методом исследования
в астрофизике служит не активный эксперимент (как в физике,
химии и т.п.), а пассивное наблюдение. Диапазон физических
параметров — плотности, температуры, давления, напряженности магнитного поля и т.п., с которыми приходится иметь дело в
астрофизике, далеко превосходит то, что достижимо в земных
лабораториях. Поэтому многие виды астрофизических объектов выступают в роли уникальной физической лаборатории,
предоставляющей возможности для изучения вещества и полей
в экстремальных условиях. Это делает астрофизику неотъемлемой частью физики.
6.2. Астрометрия
Астрометрия — раздел астрономии, главной задачей ко-
торого является изучение геометрических, кинематических и
динамических свойств небесных объектов для построения пространственной картины Вселенной, построение основной инерциальной системы координат для астрономических измерений
(решается совместно с другими разделами астрономии —
небесной механикой и звездной астрономией) и определение
точных положений и движений различных небесных объектов
из наблюдений.
В круг вопросов, рассматриваемых астрометрией, входят:
измерение положений небесных объектов, определение расстояний до них, разработка согласованной системы астрономических постоянных, построение шкалы межзвездных расстояний,
определение орбитальных движений двойных и кратных звезд и
др. Одной из основных задач астрометрии является построение
двух опорных систем координат: пространственной инерциальной системы небесных координат и системы координат, жестко
связанной с Землей. Эти системы координат фиксируются положениями и изменениями некоторой совокупности реперов,
122
которыми для инерциальной системы служат небесные тела, а
для земной — точки земной поверхности. Еще одной задачей
астрометрии является определение моментов астрономических
событий и промежутков времени между ними, т.е. определение
и хранение времени.
Это исторически первый раздел классической астрономии,
основы которого были разработаны уже к II в. н.э., но не потеряли значимости до настоящего времени. Астрометрия объединяет в себе сферическую астрономию, практическую астрономию и фундаментальную астрометрию.
Сферическая астрономия изучает положение, видимое и
собственное движение космических тел и разрабатывает математические методы решения задач, связанных с определением
положений светил на небесной сфере, составлением звездных
каталогов и карт, теоретическими основами счета времени.
Фундаментальная астрометрия ведет работу по опреде-
лению фундаментальных астрономических постоянных и теоретическому обоснованию составления фундаментальных астрономических каталогов.
Основной задачей астрометрии является создание опорной инерциальной системы координат в пространстве и согласованного комплекса фундаментальных астрономических постоянных на основе измерения координат небесных объектов и
изучения вращения Земли. Более развернуто основная задача
астрометрии формулируется как высокоточное определение местонахождения небесных тел и векторов их скоростей в данный
момент времени. Точное измерение этих астрометрических параметров позволяет получить об астрономическом объекте дополнительную информацию, такую как:
• абсолютная светимость объекта;
• масса и возраст объекта;
• классификация местонахождения объекта: в Солнечной
системе, в Галактике, за ее пределами, и т.п.;
• классификация семейства небесных тел, к которому при-
надлежит объект;
• отсутствие / наличие у объекта невидимых спутников.
123
Многие из этих сведений необходимы для того, чтобы делать выводы о физических свойствах и внутреннем строении
наблюдаемого объекта, а также давать ответы и на более фундаментальные вопросы — об объеме, массе и возрасте всей Вселенной. Таким образом, астрометрия является одним из важнейших разделов астрономии, дающим экспериментальную информацию, необходимую для развития остальных разделов
(астрофизики, космологии, космогонии, небесной механики и т.п.).
Для точных измерений положений и движений небесных
тел необходимо иметь систему отсчета с заданными координатами. Фундаментальной астрометрией называется тот подраздел
астрометрии, который занимается проблемами выбора такой
системы координат, и связанных с ними вопросов — какие
именно объекты выбрать для начала отсчета (реализации системы координат); каким способом привязать систему координат к
объектам, являющимся началом отсчета. Современные системы
координат подразделяются на кинематические и динамические.
Динамическая система координат — система, определяемая на основе элементов орбиты вращения Земли вокруг
Солнца.
Кинематическая система координат — система коорди-
нат, базирующаяся на привязке к объектам, собственные движения которых могут считаться достаточно хорошо известными.
С начала развития астрономии и вплоть до конца XX в.
астрономы всегда пользовались именно динамической системой
экваториальных координат. За начало отсчета этой системы была принята точка весеннего равноденствия. Такая динамическая
система имеет ряд недостатков, поэтому в современной астрометрии пользуются кинематической системой координат. Кинематическая система отсчета, базирующаяся на внегалактических
объектах в качестве опорных, считается квазиинерциальной (поскольку ускорением в движении внегалактических объектов, и
даже самим наличием этого движения, можно пренебречь). Любая кинематическая система координат определяется с помощью
фундаментального каталога, как совокупность всех астрометрических параметров объектов, зачисленных в этот каталог.
124
Практической астрометрией называется подраздел, за-
нимающийся проблемами:
• использования установленной системы координат;
• определения из полученных сведений, где находятся
изучаемые объекты и как они движутся;
• организации и обработки наблюдений для решения
этих задач;
• оценки точности полученных результатов и ее улучше-
ния до нужной точности;
• составления подробных фотографических карт с целью
каталогизации как можно большего числа астрометрических
объектов.
Практическая астрономия занимается определением времени и географических координат, обеспечивает Службу Времени, вычисление и составление календарей, географических и
топографических карт; астрономические методы ориентации
широко применяются в мореплавании, авиации и космонавтике.
До появления астрофизики в начала XX в. практически
вся астрономия сводилась к астрометрии. Астрометрия неразрывно связана со звездными каталогами. Первый каталог был
составлен еще в Древнем Китае астрономом Ши Шенем. Точнее, это был не каталог, а схематичная карта неба. Первый же
астрометрический каталог, содержащий координаты звезд, был
создан древнегреческим астрономом Гиппархом и датируется
129 г. до н.э., но он не сохранился. Сравнив свои наблюдения с
более ранними, Гиппарх открыл явление предварения равноденствий, или прецессии. В Средние века астрометрия была широко
распространена в арабском мире. Наибольший вклад в нее внесли ал-Баттани (X в.), ал-Бируни (XI в.) и Улугбек (XV в.).
В XVI в. Тихо Браге в течение 16 лет проводил наблюдения
Марса, обработав которые, его преемник Иоганн Кеплер открыл
законы движения планет. На основе этих эмпирических законов
Исаак Ньютон описал закон всемирного тяготения и заложил
основы классической механики, что привело к появлению научного подхода.
В самом общем виде все, что как-то распределено во Вселенной, движется или имеет размеры или форму и доступно для
125
измерений, находится в сфере интересов астрометрии при условии, что научный интерес лежит за пределами простого описания. Современная астрометрия прошла описательную стадию
развития науки. Существует большое число проблем, связанных
с пониманием явлений, с подтверждением различных гипотез о
структуре и эволюции небесных тел, их объединении в скопления или связанных с реальными физическими законами во Вселенной.
Большое значение в астрометрии имеют инструментально-методические вопросы: разработка все более совершенных
методов наблюдений и новых конструкций инструментов, детальные исследования инструментов и различных факторов,
влияющих на точность измерений (термические градиенты, атмосферная рефракция и др.). В середине ХХ столетия стало ясно, что наземные астрометрические наблюдения достигли своего порога точности. На пути увеличения точности стали два
главных препятствия: дрожание атмосферы, размывающее
изображения звезд, и действие силы тяжести, приводящее к деформациям телескопов. Преодолеть эти препятствия удалось
только с помощью нетрадиционных методов измерений, использованием новых инструментов и специализированных
спутников. Повышение точности позиционных измерений привело к расширению задач, которые могут быть решены при использовании астрометрических результатов: определение координат быстро движущихся по небу объектов (искусственных
спутников), астрометрические измерения с борта космических
аппаратов, с поверхности Луны, ориентация искусственных
спутников и космических зондов, ориентирование на Луне, на
других планетах и т.п. В последние годы, благодаря космическим телескопам, удалось достичь еще более высокого качества
в составлении звездных карт. С помощью Хаббловского космического телескопа астрономы составили каталог, описывающий
около 15 млн звезд. Самое последнее достижение в составлении
звездных карт — это два новых каталога, изданных Европейским космическим агентством. Они сделаны на основе наблюдений при помощи космического телескопа на спутнике «Гиппаркос». На сегодняшний день эти каталоги самые точные; один
126
из них в трех томах называется «Тысячелетний звездный атлас»
(«Millennium Star Atlas»). Результатами астрометрических работ
широко пользуются в других разделах астрономии — небесной
механике, астрофизике, звездной астрономии, а также в геодезии и геофизике.
Астрометрическими методами можно определить [45]:
• тригонометрические параллаксы звезд, которые лежат в
основе всех остальных методов определения расстояний во Вселенной, если предполагается, что две звезды с одинаковыми физическими характеристиками (спектром, температурой, переменностью и т.д.) имеют одинаковую светимость;
• орбитальное движение двойных и кратных звезд;
• видимые диаметры звезд;
• собственное движение, представляющее видимый путь
звезды на небе; измерение собственного движения особенно полезно при изучении скоплений звезд, Галактики и галактик
Местной группы;
• открытие невидимых компаньонов звезд по их нелиней-
ному собственному движению.
Среди следствий знания расстояний до звезд наиболее
важным является следствие, согласно которому измеренные
значения параметров могут быть выражены в физических единицах, используемых в лабораториях. Среди таких параметров
можно выделить блеск звезд в широкополосных или узкополосных фотометрических системах в видимой, радио, инфракрасной или ультрафиолетовой областях, преобразуется в абсолютные светимости и потоки энергии, видимые диаметры звезд и
размеры орбит двойных звезд, зная которые можно вычислить
сумму масс компонентов в единицах солнечной массы. Важное
значение имеют собственные движения, а также лучевые скорости звезд. Они позволяют изучать движения звезд в скоплениях,
обнаружить звездные ассоциации, проанализировать движения
внутри Галактики и получить соотношения между кинематическими и астрофизическими свойствами звезд (химическим составом, спектром, типом переменности, возрастом), которые
приводят к пониманию эволюции Галактики.
127
Большое значение имеют собственные движения, а также
лучевые скорости звезд. Они позволяют изучать движения звезд
в скоплениях, обнаружить звездные ассоциации, проанализировать движения внутри Галактики и получить соотношения между кинематическими и астрофизическими свойствами звезд (химическим составом, спектром, типом переменности, возрастом),
которые приводят к пониманию эволюции Галактики. Собственные движения и лучевые скорости звезд являются основными наблюдательными данными для определения строения
Галактики, галактического гравитационного поля (существования темной материи, строения диска, внутреннего бара, плотности балджа и т.д.) и эволюции Галактики (устойчивости спиральной структуры).
Немаловажной исследовательской темой остается изучение динамики тел Солнечной системы, наблюдения за движением спутников планет. Точные наблюдения планет и их спутников нужны для анализа и проверки эффектов общей теории относительности в слабом гравитационном поле, а также для
подготовки космических миссий и их выполнения. Большой интерес представляет исследование трансплутоновых планет (пояс
Койпера). Существенной частью астрометрии является наблюдение искусственных спутников, позволяющее детальное определение гравитационного поля Земли и параметров, описывающих вращение Земли, регулярное измерение положения наблюдательных станций, что позволяет измерять движение
тектонических плит, динамику океанов и приливные движения,
осуществлять синхронизацию часов.
В заключение выделим основные цели современной
астрометрии:
• создание нового фундаментального каталога, относи-
тельно удовлетворяющего требуемым для современных наблюдений критериям универсальности;
• усовершенствование опорной системы отсчета на Земле;
• проверка теории относительности, уточнение ее фунда-
ментальных параметров;
• создание универсальной карты неба, имеющей преиму-
щества перед уже имеющимися фотографическими обзорами;
128
• получение астрометрических параметров для как можно
большего количества различных объектов в нашей галактике;
• изучение эффекта микролинзирования, в том числе его
влияния на построение фундаментальной опорной системы;
• накопление мониторинговых наблюдений для улучше-
ния теорий движения Земли и тел Солнечной системы.
Многие из этих сведений необходимы для того, чтобы делать выводы о физических свойствах и внутреннем строении
наблюдаемого объекта, а также давать ответы и на более фундаментальные вопросы — об объеме, массе и возрасте всей Вселенной. Таким образом, астрометрия является одним из важнейших разделов астрономии, дающим экспериментальную информацию, необходимую для развития остальных разделов
(астрофизики, космологии, космогонии, небесной механики и т.п.).
6.3. Наблюдательная астрономия и ее разделы
Наблюдательная астрономия — область астрономии,
связанная с получением наблюдательных данных о небесных
объектах с применением телескопов и других астрономических
приборов.
Традиционное деление наблюдательной астрономии на
разделы связано с разбиением электромагнитного спектра на
диапазоны:
1. Оптическая астрономия — самый старый раздел
наблюдательной астрономии, изучающий различными физическими методами электромагнитное излучение небесных объектов в видимом диапазоне длин волн от 0,3 до 10 мкм (оптическое окно прозрачности земной атмосферы). При работе оптических телескопов вне атмосферы (на ИСЗ) их волновой диапазон
несколько расширяется за счет участков ИК- и УФ-диапазонов,
примыкающих к оптическому диапазону. Основная масса вещества Вселенной, излучающего в оптическом диапазоне, сосредоточена в звездах.
Методы оптической астрономии включают в себя несколько разновидностей:
129
• получение снимков объекта;
• фотометрию — измерение количества света, приходяще-
го от наблюдаемого объекта;
• спектроскопию — изучение распределения энергии све-
та, приходящей от объекта, по длинам волн (спектр приходящего излучения);
• поляриметрию — изучение поляризации приходяще-
го света.
Особый раздел оптической астрономии составляют интерферометрические методы получения высокого углового разрешения. Эффективность методов оптической астрономии
определяется в значительной степени совершенством приемника
излучения, стоящего на выходе фотометрического, спектрального или интерференционного прибора.
2. Инфракрасная астрономия — раздел наблюдательной
астрономии, базирующийся на использовании инфракрасного
спектрального диапазона электромагнитного излучения и посвященный исследованиям космических тел по их излучению в
области длин волн от 0,8 мкм (красная граница видимой области) до 1 мм (условная граница раздела с радиодиапазоном).
Объекты изучения — слабо нагретые объекты во Вселенной:
планеты, холодные звезды, межзвездные облака.
Инфракрасная астрономия имеет специфическую приборную базу. Для наблюдений в этой части диапазона чаще всего
применяются телескопы-рефлекторы, приемник должен быть
чувствительным к инфракрасным волнам. Для наблюдения в
части диапазона, в которой атмосфера является непрозрачной
для излучения или создает шум при тепловом излучении, используются космические телескопы.
В ИК-область спектра попадает максимум интенсивности
теплового излучения относительно холодных объектов с температурой от 2 000–3 000 К до 3 К: звезд поздних спектральных
классов и окружающих их пылевых оболочек; звезд на начальных стадиях звездообразования, погруженных в протозвездные
газово-пылевые облака; межзвездных пыли и газа, а также планет и малых тел Солнечной системы. В длинноволновом участке
ИК-области, называемом субмиллиметровым диапазоном, со-
130
держится основная часть энергии реликтового излучения, возникшего на ранней стадии расширения Вселенной. Как и в других спектральных диапазонах, в ИК-области наблюдаются нетепловые источники космического излучения (где излучают
главным образом релятивистские электроны). Наблюдения в
ИК-диапазоне оказались исключительно мощным методом изучения планет и их спутников, астероидов и комет. В ИК-области
спектра сосредоточена большая часть энергии собственного
теплового излучения твердых поверхностей и атмосфер планет.
Спектрометрия, наблюдения ИК-излучения планет позволяют
определить тепловую структуру атмосфер и их химический состав.
3. Ультрафиолетовая астрономия — раздел наблюда-
тельной астрономии, базирующийся на использовании ультрафиолетового спектрального диапазона электромагнитного излучения (длины волн примерно от 10 до 320 нанометров). Свет,
имеющий эти длины волн, поглощается атмосферой Земли, так
что наблюдение должно осуществляться из верхних слоев атмосферы или из космоса.
Объекты изучения ультрафиолетовой астрономии — планеты и их спутники, кометы, звезды, галактики, квазары, межзвездная и межпланетная среды (включая их пылевую компоненту), Солнце и его корона, горячие звезды, ядра нашей и некоторых других галактик. Ультрафиолетовая спектроскопия
дает уникальные возможности для изучения межгалактической
среды, для точного определения химического состава, плотности и температуры межзвездной среды, температуры и состава
молодых горячих звезд, изучения структуры областей массового
звездообразования и многого другого. Наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне позволяют получить значимую информацию об эволюции галактик. Кроме того, здесь находится и максимум излучения голубых горячих звезд с эффективной температурой, превышающей 104 К. В УФ-области расположены
линии излучения корон и хромосфер холодных и горячих звезд.
Таким образом, ультрафиолетовая астрономия может дать и уже
дала ценные сведения практически обо всех объектах как в Солнечной системе (планеты и их спутники, кометы, межпланетная
среда), так и за ее пределами (звезды, галактики, туманности,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]