АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 3. Космософія

Розділ І. Коротка історія астрономії

Тема 1.1. Розвиток астрономічної науки в світі

§ 4. Астрономія в XVІ — XX століттях

Вступ

Упродовж чотирьох століть (XV! — XX ст.) після вступу в телескопічну еру астрономія розвинула кілька фундаментальних напрямків своїх досліджень і стала всехвильовою наукою. Все це докорінно змінило попередні уявлення людства про світобудову.

Цілі вивчення § 4

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти причини розвитку астрономії в XVI — XX століттях; внесок видатних вчених світу в астрономічну науку;

• уміти будувати усну чи письмову розповідь на тему з історії астрономії в XVI — XX ст.;

• оцінювати розвиток астрономічної науки в світі в XVI — XX ст.

Потрібно повторити з курсу історії матеріал, що стосується розвитку Європи в XVI — XX ст., а також § 3 ч. 3 цього посібника.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Зверніть увагу на те, що протягом лише 400 років астрономія зазнала такого розвитку, якого не було до цього впродовж тисяч років. Зрозуміло, що такий поступ науки був зумовлений загальним (економічним і духовним) розвитком людства, який забезпечив серед іншого й появу нових технічних засобів (наприклад, телескопа), і наукових ідей та уявлень. Для кращого розуміння особливостей розвитку астрономії в XV! — XX ст. радимо звернутися до джерел, що містять інформацію про стан матеріальної й духовної культури в цей період.

Пояснювальний текст

Бурхливий розвиток астрономії, що розпочався в XVI ст. і триває досі, спричинили кілька обставин, серед яких на тлі загального економічного й духовного зростання відбулися, зокрема, винахід телескопа, поява спектрального аналізу, зрештою, можливість виводити в космічний простір дослідницькі апарати. На перше око ці обставини здаються суто технологічними. Але вони тісно пов’язані з одвічним прагненням людства до пізнання довкілля. Згадаймо, як європейці завдяки Колумбу, Магеллану, Васко да Гамі відкрили нові землі, а через художні твори Мікеланджело, Рафаеля, Альбрехта Дюрера та інших митців подивилися на довкілля і саму людину «іншими очима».

Не дивно, що цей економічний і духовний підйом серед іншого привів до створення Миколою Коперником (1473—1543) геліоцентричної системи світу (ч. 3, § 9, п. 1), в якій він «зупинив Сонце і зрушив Землю». Так від епохи Відродження людина знайшла для себе нове місце у Всесвіті.

п. 1. Телескопічна ера в астрономії. Наприкінці XV — початку XVI ст. в астрономії виник новий, дослідницький, напрямок, коли європейські астрономи стали не лише спостерігати зоряне небо, а й розробляти нові методи спостережень та намагатись пояснювати їх результати. Наприклад, великий італійський вчений-енциклопедист, художник, інженер Леонардо да Вінчі (1452—1519) правильно пояснив природу попелястого світла Місяця як результат освітлення його Землею. А опрацьовуючи спостережні дані, спостерігачі, наприклад, почали враховувати поправки на атмосферну рефракцію.

На рубежі XVI—XVII ст. завдяки працям Коперника, уми освічених людей у Європі захопила проблема світобудови. Ідею про те, що центром світу є Сонце, а не Земля, було сприйнято не одразу. По-перше, вона суперечила релігійним уявленням. По-друге, хоча вона легко пояснювала причину «дивних» видимих рухів планет на небесній сфері, її вважали бездоказовою. Але її взяли на озброєння окремі філософи і природознавці, зокрема Джордано Бруно, Йоганн Кеплер і Ґалілео Ґалілей.

До цієї когорти належав також Тихо Браге (1546—1601), який на отриманому від данського короля у володіння острові Вен, збудував дві обсерваторії — Ураніборґ (Палац астраноміі) і Стьєрнеборґ (Зоряний палац). Тихо Браге оснастив обсерваторії різними астрономічними інструментами і з їх допомогою виконав велику кількість регулярних спостережень, зокрема й положень планети Марс.

Ці результати використав для визначення законів руху планет (ч. 2, § 12, п. 1) Йоган Кеплер (1571—1630), який в останні роки життя Тихо Браге був його помічником у Празі.

Телескопічну еру в астрономії розпочав Ґалілео Ґалілей (1564—1642), який власноруч спорудив підзорну трубу й направив її на зоряне небо восени 1609 р. Навіть дуже скромні можливості першого телескопа дозволили Ґалілею зробити дивовижні, як на той час, відкриття. Він побачив гори й рівнини на Місяці, чотири супутники Юпітера (тепер їх називають галілеєвими), фази Венери. Явище зміни фаз Венери стали доказом того, що вона, як і вказував Коперник, обертається навколо Сонця. Окрім цього, спостерігаючи плями на Сонці, Ґалілей виявив його обертання навколо своєї осі. Перші телескопічні спостереження розкрили таємницю Молочного Шляху — виявилося, що це не туманне сяйво, породжене атмосферою, а скупчення величезної кількості слабких зір. Свої астрономічні відкриття Ґалілей опублікував у «Зоряному віснику» в березні 1610 р., започаткуваши традицію виносити на публічний огляд результати наукової праці.

Рис. 4.1. Перший телескоп Ґалілео Ґалілея.

Після піонерських телескопічних спостережень Ґ. Ґалілея стало зрозумілим, що майбутнє астрономії — телескопи з дедалі більшими об’єктивами. Великі розмірами телескопи навчився

будувати для своєї власної обсерваторії у Гданську відомий польський астроном-спостерігач Ян Гевелій (1611—1687). Його телескопи називали «повітряними», бо вони не мали труби — лінзу- об’єктив встановлювали на високій (до 30 м) щоглі, а лінзу-окуляр на довгій (до 45 м) палиці. Спостерігати в такі телескопи було важко. Але навіть без телескопів, тільки з допомогою кутомірних інструментів, Гевелій виконав багато спостережень й отримав важливі результати (наприклад, уклав каталог зір).

Обсерваторія Я. Гавелія була найбільшою в Європі приватною обсерваторією, яку створила заможна людина для власних занять астрономічною наукою. Але розвиток економіки провідних європейських країн, зокрема мореплавство, вимагав астрономічних даних, які могли здобути науковці, що працюють у державних обсерваторіях. Тому 1667 р. було засновано Паризьку, а 1675 р. Гринвіцьку (поблизу Лондона) обсерваторії. Першу очолив Джованні Кассіні (1625—1712), а другу —Джон Флемстид (1646 —1719). Він, окрім посади директора обсерваторії, здобув титул Королівського астронома. До слова, традиція, згідно з якою директор Гринвіцької обсерваторії одночасно є Королівським астрономом, зберігалась аж до 1974 року.

Рис. 4.2. Будівля Паризької обсерваторії (першої державної в Європі).

Важливим для розвитку астрономії й далі було відкриття англійським астрономом Едмондом Галлеєм (1656 —1742) власного руху зір (1718). Його він зробив, порівнявши координати зір Сиріус, Арктур і Альдебаран у трьох каталогах: Гіппарха, Тихо Браге і Дж. Флемстида. Порівняння результатів спостережень, зроблених із загальним інтервалом часу майже в 19 століть, дозволило виявити, що відомі з давнини зорі за цей проміжок часу помітно змістилися щодо інших зір, змінилися й їхні відстані від екліптики.

1728 р. англійський астроном Джеймс Бредлі (1693—1762), намагаючись виявити паралактичні зміщення зір, відкрив річну аберацію (всі зорі на небесній сфері зміщуються на деякий кут до точки - апекса, в напрямку якої рухається в даний момент Земля). Відкриття річної аберації стало першим прямим доказом руху Землі навколо Сонця. Окрім цього, знання сталих річної аберації, нутації (її також відкрив Дж. Бредлі), як і сталої прецесії, сприяло підвищенню точності спостережень.

До середини XVTTT ст. астрономи вже зрозуміли, що відстані до зір дуже великі. А телескопічні спостереження дозволили виявити не тільки багато слабких невидимих оком зір, але й туманностей. Проте можливості телескопів, які астрономи мали протягом більшої частини XVTTT ст., не дозволяли систематично вивчати розподіл зір у Молочному Шляху.

Такі дослідження наприкінці століття розпочав видатний англійський астроном В. Гершель (1738—1822), який власноруч виготовляв телескопи-рефлектори. 1789 р. він виготовив телескоп із дзеркалом у діаметрі 122 см і з фокусною відстанню у 12 м. Понад 55 років цей інструмент був неперевершеним.

Коли Гершель почав вивчати будову Молочного Шляху, відстані до зір та їхні світності були невідомі. Тому йому не вдалося на підставі отриманих результатів зробити правильні висновки щодо його будови. Але робота не була марною — дослідження В. Гершеля суттєво розширили знання про небесні об’єкти, з яких складається Молочний Шлях (окрім одиночних зір, це подвійні та кратні зорі, зоряні скупчення, туманності). На підставі своїх досліджень Гершель зробив висновок, що Молочний Шлях — це величезне утворення з окремих зір, зоряних скупчень і туманностей, що утворюють єдину систему.

Спостереження туманностей, які тривали багато років, дозволили Гершелю з’ясувати, що деякі з них складаються з розсіяної матерії і, ймовірно, перебувають у межах Молочного Шляху. Натомість ті з них, в яких він спостерігав зорі, є далекими зоряними системами. До таких він, наприклад, відносив Туманність Андромеди, а те, що ця туманність насправді є зоряною системою, вдалося довести лише у ХХ ст.

Відстані до зір на підставі вимірів їхніх річних паралаксів вдалося визначити наприкінці 30-х років ХІХ ст. Василь Струве (1793—1864) в 1837 р. опублікував результати визначення паралаксу зорі Вега « Ліри), Фридріх Бессель (1784—1846) в 1838 р. визначив паралакс зорі 61 Лебедя, а невдовзі Томас Гендерсон (1798—1844) на мисі Доброї Надії у Південній Африці виміряв паралакс зорі α Кентавра.

Це були дуже важливі результати для астрономії. Вони остаточно зруйнували тисячолітні уявлення про «сферу нерухомих зір» і вказали на те, що Всесвіт безмежний у просторі.

Те, що в космічному просторі є багато туманностей зоряної природи, виявив ірландський астроном Вільям Парсонс (1800—1867), який 1845 р. збудував телескоп-рефлектор з діаметром дзеркала 183 см (цей телескоп був найбільшим у світі до початку ХХ ст.).

Рис. 4.3. Телескоп В. Парсонса.

Парсонс також виявив, що деякі туманності, в яких навіть у його телескоп не було видно окремі зорі, мають характерну спіральну форму. Ці нові відкриття, як і результати спостережень В. Гершеля, поставили перед астрономами проблему існування у Всесвіті окремих зоряних систем, що лежать за межами Молочного Шляху.

п. 2. Зародження небесної механіки та астрофізики. Закони Кеплера — перші кількісні закони астрономії — пояснювали рух планет, але не вказували на його причину. Її, як силу тяжіння між тілами, виразив у законі всесвітнього тяжіння (1687) видатний англійський вчений Ісак Ньютон (1643—1727). Всі три закони Кеплера виявилися наслідками закону всесвітнього тяжіння.

Цей закон став не лише підґрунтям нової фізики, але й суттєво вплинув на розвиток астрономії. У ній виник окремий розділ — небесна механіка, що вивчає рух небесних тіл на підставі закону всесвітнього тяжіння і класичної механіки. Новий розділ астрономічної науки не в однораз яскраво проявляв себе. Наприклад, незадовго до повернення в 1758 р. комети Галлея до Сонця французький астроном і математик Алексіс Клеро заново обчислив її орбіту з урахуванням гравітаційних збурень з боку Юпітера й Сатурна і виявив, що комета пройде перигелій 15 квітня 1759 р. з можливою похибкою приблизно в один місяць. Того року комета Галлея пройшла точку мінімальної відстані від Сонця 13 березня. Обчислення А. Клеро стали тріумфом небесної механіки.

З допомогою методів небесної механіки за невеликими відхиленнями руху планети Уран англійський астроном і математик Джон Адамс (1819—1892) і французький астроном Урбен Левер’є (1811 —1877) майже одночасно теоретично передбачили положення невідомої тоді планети Сонячної системи. Її восени 1846 р. в Берлінській обсерваторії відкрив Йоганн Галле. Це була планета Нептун.

Ще один розділ астрономії — астрофізика, що відкрив нові можливості пізнання Всесвіту, — виник у другій половині XIX ст., завдяки досягненням фізики й хімії, а також появі спектрального аналізу й фотографії. Застосування методів спектрального аналізу, астрофотографії та фотометрії дозволи розпочати вивчення фізичних і хімічних властивостей небесних тіл.

Спектральний аналіз виник з попередніх досліджень І. Ньютона з розкладання призмою сонячного світла на окремі складові та з відкриття Йозефом Фраунгофером (1787—1826) багатьох темних ліній у спектрі Сонця. Але його основою став закон, відкритий 1859 р. німецькими вченими — фізиком Густавом Кірхгофом (1824—1887) і хіміком Робертом Бунзеном (1811— 1899), який стверджує, що частоти випромінювання й поглинання світла у спектрах хімічних речовин збігаються. Це дозволило астрономам вже у другій половині XIX ст. помітити загальні риси, характерні для зоряних спектрів, та розробити першу їх класифікацію (ч. 2, § 20. п. 2).

Фотографію було винайдено за чверть століття до відкриття спектрального аналізу й майже одразу застосовано для фотографування небесних об’єктів, зокрема Місяця і Сонця, а трохи згодом і яскравих зір. Після вдосконалення фотографічної технології астрофотографія стала одним з головних методів астрофізики (ч. 2, § 7, п. 1).

п. 3. Позагалактична і всехвильова астрономія. Розвиток астрофізики дозволив на початку XX ст. зробити відкриття, що проклали шлях до вивчення віддалених об’єктів Всесвіту, зокрема з’ясування їхньої будови. Одне з таких — виявлення в 1908 р. Генрієттою Лівітт (1868—1921) у Гарвардській обсерваторії залежності між періодом зміни блиску цефеїд і їхніми світностями (залежність «період — світність»). Це відкриття дозволило, спостерігаючи цефеїди, визначати відстані до дуже далеких космічних об’єктів, де є такі зорі.

Цей метод у 1924 р. застосував американський астроном Едвін Габбл (1889—1953) для визначення відстані до кількох спіральних «туманностей» (однією з них була Туманність Андромеди). З допомогою найбільшого тоді у світі телескопа з діаметром дзеркала у 2,5 м обсерваторії Маунт-Вілсон Габбл отримав фотографії туманностей. У зовнішніх ділянках їх зображень було чітко видно окремі зорі, серед них і цефеїди. Визначивши відстані до них, Габбл з’ясував, що ця відстань є суттєво більшою, ніж розміри Молочного Шляху. Так було доведено існування інших зоряних систем, галактик, у Всесвіті й започатковано новий розділ астрономії — позагалактичну астрономію.

Рис. 4.4. Едвін Габбл виконує спостереження на 2,5-метровому телескопі обсерваторії Маунт-Вілсон (США, Каліфорнія).

Після відкриття Габблом світу галактик розширення меж спостережуваного Всесвіту відбувалося дуже швидко. Цьому сприяла поява нових великих телескопів, зокрема 5-метрового рефлектра в Паломарській обсерваторії в 1948 р., а також можливість виконувати спостереження в інших діапазонах електромагнітного спектра, окрім видимого світла.

У 30-х роках ХХ ст. виникла радіоастрономія, а з кінця 40-х років астрономи почали розміщувати телескопи і приймачі випромінювання на ракетах. З початком космічної ери (1957) астрономія позбулася завад, які створює атмосфера Землі, і стала всехвильовою наукою, бо, завдяки космічним засобам, отримала змогу реєструвати випромінювання всіх діапазонів електромагнітного спектра.

Космонавтика зробила астрономію не лише всехвильовою, але й експериментальною наукою. Автоматичні міжпланетні станції дозволили виконувати експерименти на поверхнях окремих тіл Сонячної системи (планети та супутники планет) і в міжпланетному просторі (наприклад, астероїди і комети).

Навчальні завдання

• Поясніть, чому Гершелю не вдалося на підставі отриманих результатів спостережень зробити правильні висновки щодо будови нашої зоряної системи.

• Відкриття якої залежності сприяло появі нового розділу в астрономії — позагалактичної астрономії.

Висновки

Протягом чотирьох століть (ХУІ — XX ст.) астрономія вступила в телескопічну еру, розвинула нові напрямки досліджень (небесну механіку, астрофізику, позагалактичну астрономію) і стала всехвильовою наукою. Все це докорінно змінило попередні уявлення людства про світобудову.

Запитання для самоперевірки

1. Чиї і які результати використав Й. Кеплер для визначення законів руху планет?

2. Назвіть 2—3 результати телескопічних спостережень Ґ. Ґалілея.

3. Що було стимулом заснування перших державних обсерваторій у Європі. Що це були за обсерваторії, коли їх було засновано?

4. На підставі яких вимірів і коли вдалося визначити відстані до зір?

5. Поясніть, які наукові досягнення уможливили появу небесної механіки й астрофізики.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 4

• Пункт «Історія астрономії» розділу «Астрономія у світі» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/istoriia-astronomii)

• Пункт «Персоналії (найвідоміші астрономи світу) » розділу «Астрономія у світі» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/astronomy-svitu)

• Що таке телескоп Ґалілея? (http://www.nashenebo.in.ua/index.php/istoriia/shcho-take-teleskop-galileya)

За результатами вивчення § 4 Ви маєте:

знати й розуміти

причини розвитку астрономії в XVI — XX століттях; внесок видатних вчених світу в астрономічну науку.

уміти

будувати усну чи письмову розповідь на тему з історії астрономії в XVI — XX ст.

оцінювати

розвиток астрономічної науки у світі в XVI — XX ст.



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