Астрономия Лекции для студентов 4 -го курса

Астрономия

Лекции для студентов 4 -го курса физического факультета БГУ М. Б. Шундалов

• 28 часов лекций + 6 часов КСР • 3 коллоквиума • 14 часов практических занятий + 4 часов КСР (доцент В. И. Шупляк) • Экзамен • Оценка на экзамене = 0. 5 (устный ответ) + 0. 2 (оценка по результатам коллоквиумов) + 0. 3 (оценка за практику)

Лекция 1

2009 -й год объявлен ЮНЕСКО годом астрономии

Основная литература 1. Кононович Э. В. , Мороз В. И. Общий курс астрономии. М. , УРСС, 2004. 2. Воронцов-Вельяминов Б. А. Сборник задач и практических упражнений по астрономии. М. , Наука, 1977. 3. Клищенко А. П. , Шупляк В. И. Астрономия. М. , Новое знание, 2004. 4. Клищенко А. П. , Шупляк В. И. Задачи по курсу общей астрономии. Мн. , БГУ, 2006.

Содержание 1. Введение 2. Элементы сферической астрономии 3. Основные методы измерений в астрометрии и инструменты практической астрономии 4. Небесные тела и их движение 5. Основы астрофизики, методы астрофизических исследований 6. Солнечная система 7. Звёздная астрономия 8. Галактика 9. Галактики и метагалактики 10. Происхождение и эволюция небесных тел 11. Заключение

1. Введение • • Предмет и задачи астрономии Разделы астрономии Основные этапы развития астрономии Общее представление о масштабах и структуре Вселенной и физическом состоянии вещества • Методы астрономических исследований • Астрономия в системе естественных наук

Предмет и задачи астрономии • Астрономия – наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и образованных ими систем. • Астрономия исследует Солнце, звёзды, планеты и их спутники, кометы, метеоры, туманности, звёздные системы, вещество, заполняющее пространство между звёздами и планетами.

Основные задачи: 1. Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы. 2. Изучение строения небесных тел, исследование химического состава и физических свойств вещества в них. 3. Решение проблемы происхождения и развития отдельных небесных тел и образуемых ими систем.

Разделы астрономии Принято выделять три основных раздела: 1. астрометрию, 2. небесную механику, 3. астрофизику

Разделы астрономии Астрометрия изучает положение и движение небесных тел и Земли. У астрометрии две важные цели: 1. Установление системы небесных координат; 2. Получение параметров, наиболее полно характеризующих закономерности движения небесных тел и вращение Земли

Разделы астрономии Небесная механика изучает движение небесных тел под действием тяготения, разрабатывает методы определения их орбит, позволяет рассчитать координаты на дальнейшее время (эфемериды), рассматривает движение и устойчивость систем естественных и искусственных небесных тел. Раздел небесной механики, связанный с определением орбит и расчётом эфемерид, называют теоретической астрономией.

Разделы астрономии Астрофизика изучает происхождение, строение, химический состав, физические свойства и эволюцию как отдельных тел, так и их систем, вплоть до всей Вселенной в целом. Астрофизика делится на практическую и теоретическую.

Основные этапы развития астрономии 3 тыс. лет до н. э. (Египет) – по наблюдениям за появлением Сириуса довольно точно была определена продолжительность тропического года 2 тыс. лет до н. э. (Китай) – видимые движения Солнца и Луны были изучены до такой степени, что можно было предсказывать солнечные и лунные затмения II век до н. э. , Гиппарх (Др. Греция, Родос) составил первый каталог звёзд и создал геометрическую теорию эпициклов, которая легла в основу геоцентрической системы мира II век н. э. , Птолемей (Др. Греция, Александрия) – автор труда «Мегале Синтаксис» , или «Альмагест»

Основные этапы развития астрономии В средние века астрономия развивалась в основном в Средней Азии Эпоха великих географических открытий, промышленная революция и Реформация подтолкнули развитие астрономической науки в Европе Николай Коперник (1473 – 1543) в труде «Об обращениях небесных сфер» (1543) разработал гелиоцентрическую систему мира Иоганн Кеплер (1571 – 1630) установил законы движения планет (1609 – 1618)

Основные этапы развития астрономии Галилео Галилей (1564 – 1642) одним из первых использовал телескоп для астрономических целей (1609), открыл четыре спутника Юпитера (1610) Исаак Ньютон (1643 – 1727) установил основные законы механики, а также закон всемирного тяготения XVII – XIX века – открытия новых планет, спутников, астероидов

Основные этапы развития астрономии Середина XIX века и далее – спектральный анализ и фотографирование (в видимом диапазоне) XX век – астрофизика, ОТО, теория гравитации С 1940 -х годов – радиоастрономия 1957 -й – первый искусственный спутник 1961 -й – первый полёт человека в космос 1969 -й – высадка людей на Луну 1970 -е – 1990 -е – исследования Марса, Венеры, далёких планет 1990 -е – 2000 -е – космический телескоп им. Хаббла (Hubble Space Telescope), открытие планет у других звёзд …

Нобелевские премии в области астрономии 1936 – Виктор Гесс (Victor Hess) и Карл Андерсон (Carl Anderson) – за открытие позитрона в космических лучах 1948 – Патрик Блэкетт (Patrick Blackett) – за усовершенствование камеры Вильсона и за открытия с её помощью в области ядерной физики и космических лучей 1954 – Вальтер Боте (Walther Bothe) – за разработку метода совпадений и открытия, сделанные с его помощью (новые элементарные частицы в космических лучах) 1967 – Ханс Бете (Hans Bethe) – за вклад в теорию ядерных реакций, прежде всего за исследования, касающиеся процессов генерации энергии звёзд 1974 – Мартин Райл (Martin Ryle) – за разработку методов радиоастрономических наблюдений и изобретение метода синтеза наблюдательных данных Энтони Хьюиш (Antony Hewish) – за исключительную роль в открытии пульсаров 1978 – Арно Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Вильсон (Robert Wilson) – за открытие космического микроволнового реликтового излучения

Нобелевские премии в области астрономии 1983 – Субраманьян Чандрасекар (Subramanyan Chandrasekhar) – за теоретические исследования физических процессов, определяющих структуру и эволюцию звёзд Уильям Фаулер (William Fowler) – за теоретические и экспериментальные исследования ядерных реакций в звёздах и создание теории образования химических элементов Вселенной 1988 – Леон Ледерман (Leon Lederman), Мелвин Шварц (Melvin Schwartz) и Джек Штейнбергер (Jack Steinberger) – за разработку метода пучков нейтрино 1993 – Рассел Халс (Russell Hulse) и Джозеф Тейлор (Joseph Taylor) – за открытие пульсара нового типа, что поспособствовало открытию новых возможностей в исследованиях гравитации 2002 – Раймонд Дэвис (Raymond Davis) и Масатоши Кошиба (Masatoshi Koshiba) – за исследования в области астрофизики, в частности, за обнаружение космических нейтрино Риккардо Джиккони (Riccardo Giacconi) – за исследования в области астрофизики, которые привели к открытию космических источников рентгеновского излучения 2006 – Джон Мазер (John Mather) и Джордж Смут (George Smoot) – за открытие чернотельной формы спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения

Общее представление о масштабах и структуре Вселенной и физическом состоянии вещества Земля → Солнечная система → Галактика (скопление звёзд) → Скопления галактик располагаются вдоль границ огромных ячеек, подобных пчелиным сотам С Земли невооружённым взглядом можно наблюдать объекты, в основном принадлежащие нашей Галактике

Общее представление о масштабах и структуре Вселенной и физическом состоянии вещества • Среднее расстояние от Земли до Солнца – 150 млн. км, или 1 а. е. • Орбита Плутона (условная граница Солнечной системы) – 40 а. е. • Расстояние до ближайшей (после Солнца) к нам звезды ( Центавра C, или Проксима) – 1. 3 пк (парсека), 1 пк ≈ 3. 26 световых года • Наша Галактика состоит из 150 млрд. звёзд и представляет собой «диск» диаметром 100 тыс. св. лет и толщиной 10 тыс. св. лет

Земля

Земля и Луна Вид Земли с Луны Луна в телескоп Среднее расстояние от Земли до Луны ~ 384 400 км 24

Сравнение размеров Земли и Большого Красного Пятна на Юпитере

Солнце Среднее расстояние между Солнцем и Землёй ~ 150 000 км = 1 а. е. 26

Солнечная система – Сатурн Среднее расстояние между Солнцем и Сатурном ~ 9, 5 а. е.

Солнечная система. Нептун, выходящий из-за своего крупнейшего спутника – Тритона Среднее расстояние между Солнцем и Нептуном ~ 30 а. е. 28

Солнечная система Если все размеры в окружающем мире уменьшить в один миллиард раз, то: • Человек имел бы размер атома • Диаметр Земли ~ 1. 3 см • Луна обращается по орбите вокруг Земли на расстоянии около 30 см • Диаметр Солнца – 1. 5 метра, а расстояние от него до Земли – 150 метров • Диаметр Юпитера – 15 см, расстояние до Солнца – 750 метров. • Сатурн – в 1. 5 км от Солнца, Уран и Нептун – в 3 и 4. 5 км от Солнца • Самая близкая звезда была бы удалена от нас на расстояние более чем 40 000 км

Звёзды Капелла, или Возничего, одна из самых ярких звёзд на небе, расстояние – 42 св. года

Звёзды Остаток звезды после взрыва

Млечный путь – наша Галактика

Галактики Большое Магелланово Облако, расстояние – 50 кпк, содержит «всего» 5 млрд. звёзд

Галактики Туманность Андромеды, расстояние – 700 кпк, диаметр – 40 кпк

Галактики Сомбреро, расстояние – 40 млн. св. лет

Туманность Конская Голова

Туманность Кошачий Глаз

Скопления галактик Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Почти каждый объект на этой фотографии является галактикой

Скопления галактик Звездное скопление в созвездии Девы содержит примерно 2 000 галактик

Общее представление о масштабах и структуре Вселенной и физическом состоянии вещества Наблюдаемая часть материи Вселенной в основном сосредоточена в звёздах (~90 %) и межзвёздной среде (~ 10 %) Часть материи пребывает в форме поля (гравитационного, электромагнитного) По современным данным, только около 5 % Вселенной составляет обычная барионная (наблюдаемая) материя Около 23 % приходится на небарионную тёмную материю, не участвующую в сильном и электромагнитном взаимодействиях И ещё 72 % составляет «тёмная энергия»

Методы астрономических исследований • Экспериментальные: наблюдения, регистрация спектров в различных диапазонах электромагнитного излучения, регистрация потоков частиц в космических лучах (с Земли, с околоземной орбиты) • Запуск исследовательских устройств (спутники, космические корабли, луноходы, марсоходы и т. д. ) • Теоретические: расчёты положения и движения небесных тел, построение моделей, разработка теории происхождения и эволюции Вселенной

Астрономия в системе естественных наук • Астрономия – «колыбель» всей современной физики, части химии и других естественных наук • Астрономия позволяет наблюдать явления и эффекты, которые НИКОГДА не смогут быть воспроизведены в земных условиях

2. Элементы сферической астрономии

2. 1. Небесная сфера. Основные плоскости, линии и точки небесной сферы. Светила, их классификация, видимые движения • Под небесной сферой принято понимать сферу произвольного радиуса, центр которой находится в точке наблюдения, и на поверхность этой сферы проецируются все окружающие нас небесные тела или светила • Вращение небесной сферы для наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, воспроизводит суточное движение светил на небе

Небесная сфера. Основные плоскости, линии и точки небесной сферы Z a a' M E O N W Z' S ZOZ' – отвесная (вертикальная) линия, SWNE – истинный (математический) горизонт, a. Ma' – альмукантарат, ZMZ' – круг высоты (вертикальный круг), или вертикал

Небесная сфера. Основные плоскости, линии и точки небесной сферы Z b P M Q b' E φ N O S W Q' P' Z' POP' – ось вращения небесной сферы (ось мира), P – северный полюс мира, P' – южный полюс мира, PON = (широта места наблюдения), QWQ'E – небесный экватор, b. Mb' – суточная параллель, PMP' – круг склонения, PZQSP'Z'Q'N – небесный меридиан, NOS – полуденная линия

Светила, их классификация, видимые движения Звёзды • Невооружённым взглядом в ясную безлунную ночь в северном полушарии видно около 3 000 звёзд, т. е. всего на небесной сфере видно 6 000 звёзд. • Взаимное положение звёзд друг относительно друга изменяется крайне медленно, и без специальных приборов такое изменение наблюдать не возможно. Т. о. , суточное движение звезды по небесной сфере изо дня в день (из ночи в ночь) одно и то же. • Звёзды принято объединять в созвездия. В настоящее время выделяют 88 созвездий. • Самая яркая звезда в созвездии обознается , далее , , и т. д. Для менее ярких звёзд используется числовая нумерация. Около 130 самых ярких звёзд имеют собственные названия: Сириус, Капелла, Вега и др.

Светила, их классификация, видимые движения Звёзды • Если наблюдать суточное движение звёзд в северном полушарии Земли (но не на полюсе), стоя лицом к южной стороне горизонта, то движение звёзд по небесной сфере будет происходить по часовой стрелке. • На восточной стороне горизонта звёзды восходят, затем поднимаются до некоторой максимальной высоты над горизонтом, после чего опускаются и заходят на западной стороне горизонта. Каждая звезда всегда восходит в одной и той же точке восточной стороны и заходит всегда в одной и той же точке западной. • Если стоять лицом к северной стороне горизонта, то окажется, что одни звёзды будут восходить и заходить, а другие будут описывать полные круги над горизонтом, вращаясь вокруг северного полюса мира. • Полярная звезда ( Малой Медведицы) отстоит от северного полюса мира всего на 10 и поэтому кажется неподвижной.

Фотографии звёздного неба с большой выдержкой 49

Солнце и Луна • Солнце и Луна, также, как и звёзды, восходят на восточной стороне горизонта и заходят на западной. Но в разные дни года они восходят в разных точках восточной стороны и заходят тоже в разных точках западной. • Луна смещается с запада на восток примерно на 130 в сутки и совершает полный круг по небу за 27, 32 суток, проходя по т. н. зодиакальным созвездиям. • Солнце также перемещается по небу с запада на восток, проходя те же зодиакальные созвездия, смещаясь за сутки примерно на 10, и совершает весь путь за 1 год.

Планеты • Ещё в древности были замечены 5 светил, похожих на звёзды, но «блуждающих» по созвездиям. Они были названы планетами – «блуждающими светилами» . • Позже были открыты ещё 3 планеты, а затем 1 была закрыта. • Планеты большую часть времени перемещаются по зодиакальным созвездиям с запада на восток (прямое движение), но часть времени – с востока на запад (попятное движение).

2. 2. Системы небесных координат. Горизонтальная и экваториальные системы координат. Параллактический треугольник и преобразование небесных координат. • Поскольку радиус небесной сферы произволен, положение светила на небесной сфере однозначно определяется двумя угловыми координатами, если задана основная плоскость и начало отсчёта. • В сферической астрономии используются следующие системы небесных координат: Горизонтальная 1 -я экваториальная 2 -я экваториальная Эклиптическая 1. 2. 3. 4.

Горизонтальная система координат Основная плоскость – плоскость математического горизонта Z a' z M E a 1) m. OM = h (высота) h O N S m W A 0 h 900 – 900 h 0 или ZOM = z (зенитное расстояние) 0 z 1800 z + h = 900 Z' 2) SOm = A (азимут) 0 A 3600

1 -я экваториальная система координат Z b P p 1) m. OM = (склонение) 0 900 – 900 0 M Q b' t E O N Основная плоскость – плоскость небесного экватора m S W Q' или POM = p (полюсное расстояние) 0 p 1800 p + = 900 2) QOm = t (часовой угол) P' Z' 0 t 3600 или 0 h t 24 h

Системы небесных координат • Все горизонтальные координаты (h, z, A) и часовой угол t первой экваториальной СК непрерывно изменяются в процессе суточного вращения небесной сферы. • Склонение не изменяется. • Необходимо ввести вместо t такую экваториальную координату, которая бы отсчитывалась от фиксированной на небесной сфере точки.

2 -я экваториальная система координат Z b P p 1) m. OM = (склонение) b' Q E m O t S W Q' 0 900 – 900 0 M N Основная плоскость – плоскость небесного экватора или POM = p (полюсное расстояние) 0 p 1800 p + = 900 2) Om = (прямое восхождение) P' Z' 0 3600 или 0 h 24 h

Системы небесных координат • Горизонтальная СК используется для определения направления на светило относительно земных объектов. • 1 -я экваториальная СК используется преимущественно при определении точного времени. • 2 -я экваториальная СК является общепринятой в астрометрии.