АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ І. Методи і засоби астрономії

Тема 1.1. Методи астрономічних досліджень

§ 2. Джерела інформації про небесні об’єкти

Вступ

Усі об’єкти дослідження в астрономії (за винятком тіл Сонячної системи) дотепер для прямого вивчення недосяжні. Ми не в силі побувати в околицях зір чи в центрі Галактики. Майже всю інформацію про небесні тіла до нас доносять електромагнітне випромінювання та потоки космічних частинок, тому зареєструвати їх — найперша задача для астронома.

Цілі вивчення § 2

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти астрономію як спостережну науку; поняття електромагнітного спектра; діапазони електромагнітного спектра; діапазони випромінювання небесних тіл; причину існування вікон прозорості для електромагнітного спектра в атмосфері Землі.

• оцінювати важливість астрономічних спостережень у всьому діапазоні електромагнітного спектра.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Треба згадати (§ 2), що астрономія — спостережна наука, і головний метод дослідження, який застосовують в астрономії, — це спостереження. Очевидно, що від небесних тіл та з космічного простору астрономи можуть реєструвати електромагнітне випромінювання та частинки. У зв’язку з цим доцільно повторити питання, які стосуються електромагнітного спектра.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Важливо зрозуміти, чому астрономія є спостережною наукою. Це розуміння дозволяє пояснити важливість поняття електромагнітний спектр. Саме в ньому, головно, проявляють себе всі небесні тіла — зорі, туманності, галактики й галактичні скупчення. Аналіз випромінювання небесних тіл дозволяє астрономам скласти своєрідний космічний штрих-код, який містить дуже важливу інформацію про склад, структуру та рух цих об’єктів.

Астрономія, а надто в наш час, оперує величезними обсягами даних про небесні тіла. Характерно, що майже всі ці дані отримано зі спостережень. Сучасна астрофізика, що вивчає природу й окремих небесних об’єктів, і їх системи, використовує чотири відомі нині канали отримання інформації: 1) електромагнітне випромінювання; 2) космічні промені, які досягають околиць Землі і взаємодіють з її атмосферою; 3) нейтрино і антинейтрино; 4) гравітаційні хвилі.

1. Астрономія — спостережна наука. Вивчення Всесвіту почалося зі спостережень тих небесних об’єктів, які людина могла бачити. Такі спостереження були простими, але вони дозволили накопичити велику кількість фактів і виявити закономірності деяких астрономічних явищ, наприклад, місячних і сонячних затемнень. Спостереження, як науковий метод вивчення небесних тіл, досі є головним в астрономії. Цим астрономія суттєво відрізняється від інших природничих наук, де головно використовують експеримент.

Нині завдяки космонавтиці (п. 3 цього параграфа) астрономія має змогу виконувати окремі експерименти за межами Землі. Але більшість об’єктів дослідження астрономії такі, що їх ніколи не вдасться помістити в жодну лабораторію світу чи вивчати з близької відстані. Експерименти з ними, як і з Всесвітом в цілому, може виконувати тільки сама природа. Людині залишається лише спостерігати за цим процесом.

2. Електромагнітний спектр. Електромагнітні хвилі прийнято класифікувати по їх частоті. Повний набір усіх частот називають електромагнітним спектром. Окрім видимого світла, до нього належать радіохвилі, мікрохвильове, інфрачервоне, ультрафіолетове, рентгенівське і гамма-випромінювання. Радіохвилі мають найменші частоти і найбільші довжини хвиль: від кількох десятих часток міліметра до багатьох кілометрів. Найбільші частоти і найменші довжини хвиль має гамма-випромінювання.

Рис. 2.1. Електромагнітний спектр — впорядкована по довжині сукупність монохроматичних електромагнітних хвиль.

Для більшості електромагнітних хвиль повітря Землі непрозоре. Крізь так звані «вікна прозорості» (рис. 2.2) поверхні нашої планети досягає лише незначна частина усіх випромінювань, що існують в природі. Це — видимі промені (ті, що сприймає людське око) з довжиною хвиль 390 — 760 нм (0.39 — 0.76 мкм) , інфрачервоні промені 0,76 — 5,2 мкм та вибірково 8,2 — 22 мкм завдовжки і радіохвилі з довжиною хвиль 0,0001 — 30 м.

Практично весь ультрафіолет, жорсткі рентгенівські й гамма-промені в атмосфері на висоті з нижньою межею в 20 — 40 км поглинають молекули азоту, кисню й озону. Вони відіграють роль своєрідного щита для біосфери від випромінювання фотонів з високими енергіями. Поверхні Землі досягає незначна частка ультрафіолету з довжиною хвилі близько 300 нм (0,3 мкм). Від цих довжин хвиль і приблизно до 900 нм (0.9 мкм) прозорість атмосфери є найбільшою, а це і є головне вікно прозорості у видимій ділянці спектра, яку сприймає людське око.

Далі прозорість атмосфери падає через поглинання інфрачервоних променів різними атмосферними газами такими, як СО, СН4, N2O, O3, CO2, HDO, H2O, але головно водяною парою й вуглекислим газом. Радіовипромінювання з довжиною хвилі більшою за 30 м крізь атмосферу не проникають, бо їх поглинають гази й аерозолі, а також відбивають верхні шари іоносфери.

Рис. 2.2. Вікна прозорості земної атмосфери.

Проблемне питання

Як далеко може бачити око людини?

Людські очі чутливі до видимого світла. Якщо піднятися на вершину високої гори, то за умови чистої атмосфери вночі можна побачити полум’я свічки навіть з відстані в 48 кілометрів.

Те, як далеко може бачити людське око, залежить від кількості фотонів (частинок світла), які випромінює віддалений об’єкт. Туманність Андромеди — найвіддаленіший небесний об’єкт, який видно неозброєним оком, лежить на відстані близько 800 тис. пк (2,6 млн св.р.) від Землі. Але зорі цієї галактики дають стільки випромінювання, що на 1 см поверхні нашої планети щосекунди падає кілька тисяч фотонів. Цього вистачає, щоб уночі око людини могло її побачити на тлі темного зоряного неба.

У середньому 10 фотонів — це експерементально встановлений поріг чутливості зору. Це та мінімальна кількість фотонів випромінювання з довжиною хвилі 510 нм (до такого випромінювання очі людини найчутливіші), що мають потрапити на сітківку для візуального сприйняття в мозку людини.

Багато небесних об’єктів є протяжними, а не точковими джерелами світла. Щоб цей факт зафіксувало людське око, світло має потрапити щонайменше на дві суміжні колбочки сітківки — клітини, що відповідають за кольоровий зір. Це відбудеться за умови, що око бачить об’єкт під кутом не меншим за одну аркмінуту (одна шостидесята градуса). Така кутова міра є сталою для ока людини, тому лінійні розміри віддаленого об’єкта мають бути значно більшими, ніж розміри близького об’єкта, щоб його можна було бачити як протяжний. Повний Місяць видно під кутом 30' (кутові хвилини), а Венеру — близько 1'. І вона ледь помітна як протяжний об’єкт.

3. Астрономія — всехвильова наука. Якби атмосфера Землі раптом перейшла в рідку фазу, виявилося б, що ми живемо на 10-метровій глибині. Велика удача, що крізь такий товстий шар речовини хоч щось взагалі видно. Тривалий час людина навіть не здогадувалася, що не бачить багатьох речей на зоряному небі через обмежені можливості свого ока — воно сприймає лише дуже вузький діапазон електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі від однієї третини до двох третин мікрона. У цьому діапазоні найяскравішим є Сонце, а атмосфера майже прозора.

Щоб побачити те, чого не можна спостерігати візуально, треба було придумати спеціальні пристосування та «вийти» за межі атмосфери Землі. Адже для більшості електромагнітних хвиль наша атмосфера не прозоріша за бетонну стіну.

Багато століть поспіль астрономи спостерігали зоряне небо через вузьке «оптичне вікно» атмосфери. З ХІХ ст. Всесвіт почали вивчати крізь «вікно прозорості» в інфрачервоних променях. Радіоастрономія виникла на початку 30-х років ХХ ст. й уможливила дослідження небесних об’єктів крізь ще одне вікно прозорості — «радіовікно», яке майже в десять мільйонів разів ширше, ніж оптичне.

Від початку космічної ери (1957 р.), коли з’явилася можливість відправити за межі атмосфери Землі наукові прилади, астрономи отримали змогу виконувати спостереження небесних тіл у всьому діапазоні електромагнітного спектра (див. Додаток 1).

Новим джерелом інформації в астрономії віднедавна (2015) є гравітаційні хвилі — зміни (флуктуації) простору-часу. Їх у 1917 р. теоретично передбачив А. Айнштайн. Гравітаційні хвилі виникають тоді, коли будь-які рухи матеріальних тіл спричиняють неоднорідні зміни сили тяжіння в навколишньому просторі. Це може бути, наприклад, обертання тіла або системи тіл, несиметричних відносно осі обертання.

До таких систем належать тісні подвійні зорі, а надто ті, компонентами яких є нейтронні зорі або чорні діри. Потужність гравітаційного випромінювання такої системи зростає в зворотній пропорції до п’ятого степеня її діаметра. Ще краще, якщо траєкторії зір сильно витягнуті. Потужні сплески (до 1050 Вт) гравітаційних хвиль виникають під час несиметричного колапсу масивної зорі перед спалахом Наднової (ч. 2, § 21), під час злиття нейтронних зір або чорних дір (ч. 2, § 23).

Перші докази існування гравітаційних хвиль були отримані в 1974 р., коли в системі однієї з подвійних зір зареєстрували зменшення періоду обертання внаслідок втрати енергії через випромінювання гравітаційних хвиль. За це відкриття американські радіоастрономи Джозеф Тейлор і Расселл Халс 1993 р. отримали Нобелівську премію.

• Чому астрономи тривалий час для спостережень небесних тіл використовували тільки видиме світло?

• Як пояснити те, що високо в горах людина бачить більше зір, ніж на рівнині?

• Поясніть, які умови потрібно було створити для того, щоб астрономія стала всехвильовою наукою?

Висновки

Основну інформацію про Всесвіт до нас доносять електромагнітне випромінювання й космічні частинки. Завдяки винесенню різних приладів за межі земної атмосфери, астрономія розширила традиційні вікна прозорості і стала всехвильовою наукою. Реєстрація випромінювання, яке приносить нам дані про об’єкти у Всесвіті, дозволяє вирішувати головні завдання сучасної астрономії: походження й еволюція Всесвіту; пояснення механізмів утворення небесних тіл і їх систем; виявлення фізичних властивостей матерії в екстремальних астрофізичних умовах; з’ясування астрофізичних аспектів зародження й існування життя у Всесвіті.

Запитання для самоперевірки

1. Назвіть діапазони електромагнітного спектра випромінювання небесних тіл, що проникають до поверхні Землі.

2. Яка речовина головно поглинає інфрачервону радіацію в атмосфері Землі.

3. Для яких діапазонів електромагнітного спектра атмосфера Землі повністю непрозора

4. Поясніть, чому астрономія стала всехвильовою наукою тільки в космічну еру?

5. Яке нове джерело інформації з’явилося в астрономії віднедавна?

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 2

• Яцків Я.С., Крячко І.П. Астрономія — передовий рубіж природознавства. (http://www.astroosvita.kiev.ua/infoteka/articles/astronomiia-peredovyi-rubizh-pryrodoznavstva- l.php)

• Крячко І. Нове в астрономії : книга для вчителя та учня / Іван Крячко — К. : Шк. світ, 2013. — 104 с. — (Бібліотека «Шкільного світу»).

Додаток 1

Як астрономія стала всехвильовою наукою

Видиме світло — не єдиний вісник від небесних тіл. Інші види електромагнітних випромінювань, що пронизують космічний простір, також несуть важливу інформацію про фізичні явища у Всесвіті.

З ХІХ ст. почалося вивчення зоряного неба в інфрачервоних променях. Вони добре проникають крізь космічний пил та міжзоряний газ, тому приносять надзвичайно важливу інформацію про початкові етапи існування багатьох космічних тіл.

1932 р. американський радіоінженер Карл Янський започаткував новий метод астрономічних спостережень — радіоастрономію, яка почала бурхливо розвиватися після Другої світової війни. Саме тоді з’явилися належно чутливі радіоприймальні пристрої, спроможні уловлювати й реєструвати надзвичайно слабкі космічні радіосигнали. Як виявилося, багато космічних об’єктів — Сонце, зорі, планети, галактики, туманності — є джерелами радіовипромінювання.

Ультрафіолетове випромінювання, рентгенівські та гамма-промені, космічні частинки змогли зареєструвати лише застосовувавши спеціальні пристрої, які вдалося підняти на велику висоту над поверхнею Землі.

З початком космічної ери астрономічну апаратуру стали виносити за межі земної атмосфери. Винесення в космос астрономічних приладів дозволило реєструвати майже всі види випромінювань, що поширюються від небесних світил. Завдяки цьому астрономія розширила традиційні вікна прозорості і стала всехвильовою наукою. Застосування космічних апаратів дало також можливість доставляти науково-дослідну апаратуру у різні ділянки близького космосу й на поверхню інших тіл Сонячної системи.

За результатами вивчення §2 Ви маєте:

знати й розуміти

астрономію як спостережну науку; поняття електромагнітного спектра; діапазони електромагнітного спектра; діапазони випромінювання небесних тіл;

причину існування вікон прозорості для електромагнітного спектра в атмосфері Землі.

оцінювати

важливість астрономічних спостережень у всьому діапазоні електромагнітного спектра.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.