Астрономия Ad astra per aspera et per ludum

Астрономия Ad astra per aspera et per ludum entia non sunt multiрlicanda рraeter necessitatem

Содержание курса • Введение. I. Что и как изучает астрономия? 1. «Телескопы» . 2. Планеты. Звезды. Галактики… II. С чего все начиналось (история астрономии). 1. Земля – Солнце – Луна. Календарь. 2. Как измерили Землю. III. Определение масс, размеров и расстояний до объектов. IV. Иерархия объектов и расстояний во Вселенной. Наше место во Вселенной. • Земля. Солнечная система. I. Строение солнечной системы. Открытие планет. II. Земля. 1. Изучение внутреннего строения Земли. Проблема происхождения Земли. 2. Вопросы возникновения атмосферы и гидросферы Земли. 3. Магнитное поле Земли. 4. Земля–Луна. III. Планеты земной группы. 1. Меркурий. 2. Венера. 3. Марс. IV. Планеты-гиганты и их спутники. 1. Юпитер. 2. Сатурн. 3. Уран. 4. Нептун. V. Астероиды. Астероидная опасность. VI. Объекты пояса Койпера и облака Оорта. 1. Плутон–Харон. 2. Кометы. VII. Солнце и его соседи. VIII. Космические исследования. Полеты в солнечной системе. 2

• Звезды. I. Разнообразие мира звезд. II. Закономерности в звездном мире. III. «Маяки Вселенной» . Переменность звезд. IV. A что внутри? Внутреннее строение и источники энергии. V. Эволюция звезд. 1. Межзвездная среда. 2. Рождение звезд. 3. В конце пути. A. Красные гиганты и белые карлики. B. Вспышки сверхновых и нейтронные звезды. C. Черные дыры. • Галактики и Вселенная. I. Галактика. 1. История открытия. 2. Строение Галактики. 3. Проблема «скрытой массы» 4. Эволюция Галактики. II. Мир галактик. 1. Типы галактик. A. Проблема «скрытой массы» 2. Активные галактики. Квазары. 3. Пространственное распределение галактик. III. Космология. 1. Стационарная и динамичная Вселенная. Наблюдения. 2. Вселенная Эйнштейна. A. Микроволновый фон и модель «Большого Взрыва» . B. Пути эволюции. 3. Проблемы и противоречия модели «Большого Взрыва» . A. Как расширяется Вселенная? B. Антропный принцип. C. Понятие о физическом вакууме. Квантовая механика и общая теория относительности. 4. Инфляционная модель. Universe – Multiverse. 3

Рекомендуемая литература • Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол. : Р. А. Сюняев и др. 2 -е изд. – М. : Сов. энциклопедия, 1986. • Коротцев О. Н. Астрономия для всех. – СПб. : Издательский Дом «Азбукаклассика» , 2008. • Вайнберг С. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика» , 2000. • Хокинг С, Пенроуз Р. Природа пространства и времени. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика» , 2000. • Кононович Э. В. , Мороз В. И. Общий курс астрономии. – М. : Едиториал УРСС, 2004. 4

Введение и общий обзор курса 5

Предмет астрономии Две вещи наполняют душу всегда новым и все более сильным удивлением и благоговением, чем чаще и продолжительнее мы размышляем о них, — это звездное небо надо мной и моральный закон во мне / Immanuel Kant / 6

Αστρονομία Термин «астрономия» (ἀστρονομία) образован от древнегреческих слов ἀστήρ, ἄστρον, «звезда» и νόμος, «обычай, установление, закон» Космос (греч. κόσμος — «мир» ) Изучение астрономии дает возможность понять, как «работает» мир (природа) в целом. 7

Основные задачи астрономии: Геометрия и механика космоса. Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы. Физическая природа и свойства объектов. Изучение строения небесных тел, исследование химического состава и физических свойств (плотности, температуры и т. п. ) вещества в них. Динамика и эволюция объектов. Решение проблем происхождения и развития отдельных небесных тел и образуемых ими систем. Единая физическая картина мира. Космология. Изучение наиболее общих свойств Вселенной, построение теории наблюдаемой части Вселенной — Метагалактики. 8

Астрономия в системе наук. Роль в формировании научного мировоззрения Исторически, астрономия – древнейшая наука Практическое приложение: календарь, сельское хозяйство, системы позиционирования. . . Формирование мировоззренческих парадигм человечества: религия и философия (Кант: «der gestirnte Himmel über mir. . . » ) Астрономия как наука возникла минимум 4000 лет назад: календарь Египта или астрономические артефакты, найденные в Европе ( «звездный диск» из Небры с возрастом около 3600 лет, см. далее) Первые карты звездного неба из Китая датируются X веком (см. далее) Рождение астрофизики в XVI-XVII веках трудами Браге, Коперника, Кеплера и Галилея Измерение планетных движений Тихо Браге и анализ этих данных Кеплером, наблюдения и эксперименты Галилея и фундаментальные работы Ньютона дали начало современной физике 9

10

В древнегреческой мифологии одна из девяти муз, Урания, считалась покровительницей астрономии Аллегория Яна Гевелия изображает музу Уранию, которая в руках держит Солнце и Луну, а на голове у нее сверкает корона в виде звезды. Урания окружена нимфами, изображающими пять ярких планет, слева Венеру и Меркурий (внутренние планеты) справа Марс Юпитер и Сатурн (внешние 11

12

Image Credit & Copyright: Regina Valkenborgh Суточные треки движения Солнца по небу в промежуток времени от летнего до зимнего солнцестояния. University of Hertfordshire's Bayfordbury Observatory. 13

14

15

Credit & Copyright: Alex Cherney (Terrastro, TWAN) 16

Методы астрономических исследований Природа пока не позволяет нам осуществлять прямой эксперимент над подавляющей частью объектов Вселенной. Наблюдение – главное основание любой науки. Для астрономии, как правило, других способов исследований не существует. 17

Получение информации об астрономических объектах: Основной объем информации дает электромагнитное излучение. Свой вклад вносят космические лучи и нейтрино. В ближайшем будущем возможно использование и гравитационных волн. Основное назначение телескопов: увеличить поток энергии на приемнике. Категорический императив: чем больше – тем лучше (и дороже). В различных диапазонах длин волн существенно различаются конструктивные особенности. Радио: антенны; оптика: классические зеркальные и линзовые телескопы; рентген: оптика косого падения и т. д. Телескопы используются для построения изображения, либо как спектрографы. На длинах волн короче 1 мм можно фиксировать отдельные фотоны, на более длинных волнах из-за теплового шума возможно только измерение напряженности электрического поля в антенне. 18

Главное зеркало 10 -метрового телескопа «Кек» 19

Факторы, ограничивающие наблюдения: земная атмосфера Верхняя панель: Типичный спектр активной галактики Bremsstrahlung – тормозное излучение Нижняя панель: Окна прозрачности атмосферы Земли (показаны оранжевым) 20

Факторы, ограничивающие наблюдения: засветка Земной фон Внеземной фон 21

Яркость ночного неба – основной лимитирующий фактор при наблюдении слабых объектов. В видимой части спектра наблюдения с Земли и со спутников имеют схожий фон; в IR-диапазоне наблюдения со спутников на порядки более эффективны (OH и IR-излучение атмосферы); в радиодиапазоне основной вклад в шумы – искусственного происхождения. В идеале, инструменты необходимо выносить из солнечной системы и вообще из плоскости Галактики! 22

Credit & Copyright: Rudi Dobesberger (Sternfreunde Steyr) Зодиакальный свет в небе над Намибией. Зодиакальный свет над Ливией 23

Image Credit & Copyright: Nick Risinger (Photopic Sky Survey) Наша Галактика 24

Illustration Credit: R. Hurt (SSC), JPL-Caltech, NASA 25

Факторы, ограничивающие наблюдения: экстинкция в Галактике Показатель цвета E(B-V) определяет поглощение и «покраснение» излучения. E(B-V)=0. 35 означает ослабление источника в 2. 5 раза на 5500 Å. Карта построена по данным о лучевой концентрации нейтрального водорода с которой жестко связана лучевая концентрация пыли. 26

Астрономия – всеволновая наука 27

… или кто открыл воду? ? ? 28

Оптические телескопы 29

Башня 4, 2 -метрового телескопа им. В. Гершеля на о. Пальма 30

Крупнейшие телескопы 31

Главное зеркало 10 -метрового телескопа «Кек» 32

IR и субмиллиметровые телескопы SOFIA Herschel ALMA 33

Радио и миллиметровые телескопы 34

Австралия, PARCS Пущино, РТ-22 35

Инструменты высоких энергий 36

Рентгеновский спутник XMM-Newton 37

Omega. CAM 16000 x 16000 pixels (~35 см) 1 квадратный градус! 38

Интерферометры ESO Very Large Telescope Interferometer Каждый телескоп – 8 м 39

Адаптивная оптика Коррекция воздействия турбулентной атмосферы деформируемым зеркалом 40

Из опыта наблюдений и размышлений над ними рождается… Научный метод: • Наука создает научный метод познания • Наблюдения • Гипотеза • Дополнительные наблюдения • Теория • Объясняет все имеющиеся наблюдения • Предсказывает новые явления • Дальнейшие наблюдения (как правило, на более высоком уровне) • В случае, если наблюдения расходятся с теорией • Проверка наблюдений на достоверность • Разработка новой теории • Ученые никогда не имеют дело с «Истиной» • Работа с моделями • Модели совершенствуются по мере познания • В лучшем случае, модели лишь приближаются к «Истине» 41

«Подарок» астрономов физикам и не только… Последние 20 лет работы астрономов потребовали коренного пересмотра взглядов на Вселенную 42

Объекты изучения Объект Подвижность (изменчивость) 1. Звезды Взаимное положение не меняется, медленно движутся Отдельные звезды, все вместе в суточном скопления, Галактика движении 2. Луна Быстро движется на фоне звезд Крупный объект, периодически меняет свой вид 3. Планеты Медленно смещаются относительно звезд Возможно «обратное» движение 4. Кометы Медленно смещаются относительно звезд Длинные «хвосты» , появляются неожиданно 5. Метеоры Движутся очень быстро Яркие, время «жизни» мало 6. Солнце Движется быстро относительно звезд Очень яркое, видно на дневном небе 7. Искусственные спутники Движутся очень быстро 8. Пустое пространство *обратите внимание на подходы к оценке скорости Комментарий На самом деле «пустым» не является 43

Астрономия Физика, техника Законы Кеплера Ньютоновская физика, закон всемирного тяготения Спектральный анализ излучения звезд и газовой среды Обнаружение Гелия, квантовая механика запрещенных линий при низкой плотности Движение перигелия Меркурия, отклонение света Солнцем, двойные пульсары Общая теория относительности, гравитационные волны Выделение энергии в звездах и сверхновых Ядерная физика, синтез элементов Нейтронные звезды и белые карлики Уравнение состояния для вырожденной материи вплоть до ядерной плотности Телескопостроение Оптика, технологии, новые материалы (Zerodur/Ceran) Детектирование «слабых» источников Высокоэффективные приемники ПЗС Солнце, сверхновые, начальный химический состав Вселенной Нейтринная физика Темная материя, ранняя Вселенная Новые виды частиц Черные дыры Физика пространства-времени, квантовая гравитация Темная энергия или космологическая постоянная Новая Физика? ! Обработка изображений, адаптивная оптика Медицинские приложения Внесолнечные планеты Проблемы поиска жизни Астрофизика в целом Понимание Мира 44

Имеющий глаза – да увидит…

46

Корона Солнца, T= 106 K 47

48

49

Туманность Ориона в IR Ближайшая к нам (~700 пк) область HII и зона массивного звездообразования 50

Молодые звезды в Орионе 51

Протопланетные диски в туманности Ориона 52

Внесолнечные планеты 53

Планетная система в upsilon Andromedae Штрихованные окружности показывают для сравнения орбиты планет земной группы 54

Массивная старая звезда Eta Carinae 55

Крабовидная туманность – остаток сверхновой 1054 года 56

Планетарные туманности – последние стадии эволюции звезд умеренных масс 57

Шаровое скопление M 79 – один из самых старых известных объектов (~ 14 млрд лет) 58

M 31, M 32 (небольшая эллиптическая), NGC 205 (карликовая эллиптическая), Луна В одном визуальном масштабе! 59

Спиральная галактика М 101 60

Спиральная галактика NGC 5907 (вид с ребра) 61

Примерный вид спиральной структуры нашей Галактики. Белой точкой отмечено положение Солнца. Фоновое изображение – NASA/JPL-Caltech 62

Галактика 63

Эллиптическая галактика NGC 205 64

Кластер галактик в Коме 65

Рентгеновское излучение горячего межгалактического газа из скопления в Коме 66

Гравитационное линзирование в кластере галактик Cl 0024+1645 Голубым – «оптическая система» Зеленым – кривые «бесконечного» усиления Квадраты – видимые положения изображений (A, B, C, D, E) Желтые кресты – модельные положения изображений Желтая окружность – положение прообраза Красные кресты – центры масс линзы 67

Радиогалактика 3 C 31 с активным ядром 68

Процесс слияния двух радиогалактик (соответственно и двух сверхмассивных черных дыр) 69

Центральные 10 пк М 31. В центре голубого ядра (звезды средних возрастов) – черная дыра с массой 140 млн солнечных масс. Красный диск – старые звезды, движущиеся вокруг черной дыры. 70

Обзор галактик на различных красных смещениях 71

72