АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 1. Космографія

Розділ І. Вступ до астрономії

Тема 1.1. Зоряне небо й небесна сфера

§ 5. Зоряні мапи й каталоги небесних об’єктів

Вступ

Навіть в епоху первісних суспільств люди переносили зображення окремих виразних ділянок зоряного неба на плоску поверхню (наскельні малюнки). Пізніше вони навчилися робити схематичні зображення усієї півсфери неба, видимої з певного місця на Землі, а також складати списки зір і визначати їх положення на небесній сфері. Це допомагало вирішувати практичні завдання, пов’язані з орієнтацією в просторі і часі (мисливство, мореплавство, хліборобство тощо).

Цілі вивчення § 5

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти принципи побудови мап зоряного неба й каталогів небесних об’єктів;

• уміти користуватися мапами зоряного неба (зокрема, рухомою), зоряними атласами, каталогами небесних об’єктів;

• виявляти ставлення й оцінювати важливість створення зоряних мап, атласів і каталогів для практичних потреб людства.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Мапи зоряного неба певною мірою є аналогом географічних мап — на них також наносять координатну сітку, що дозволяє знаходити координати небесних світил. У зв’язку з цим треба пригадати принципи побудови географічних мап, відомі вам з курсу географії.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Зверніть увагу на те, що перепис об’єктів зоряного неба й визначення положень зір на небесній сфері почали робити ще в давнину. Без цього було неможливо вирішувати практичні завдання, як от: орієнтуватися на місцевості, зокрема у відкритому морі, а також визначати час і укладати календарі. Так виникли каталоги небесних об’єктів, які відтоді є неодмінним атрибутом в астрономії, бо вони містять координати та інші параметри різних небесних об’єктів. Саме в цьому полягає їх цінність.

Докладнішу інформацію про астрономічні каталоги подано в методичному посібнику І. Крячка «Нове в астрономії : книга для вчителя та учня».

Мапи зоряного неба для навчальних цілей можна виготовити самостійно, наприклад, з допомогою комп’ютерної програми Cartes du Ciel (Зоряні мапи). Її версію українською вміщено на сайті http://www.ap-i.net/skychart/uk/start.

Пояснювальний текст

Мапа зоряного неба — це проекція (зображення) небесної сфери на плоску поверхню. Нині мапи зоряного неба, виконані на папері, під час астрономічних спостережень поступаються цифровим носіям інформації про координати небесних об’єктів (каталогам). Також часто, а надто аматори астрономії, застосовують електронні планетарії, фактично візуалізатори зоряного неба, для того щоб попередньо визначити ділянку небесної сфери чи положення небесного об’єкта, який заплановано спостерігати.

1. Мапи зоряного неба. Першу мапу зоряного неба, виготовлену друкарським способом (на відміну від накреслених вручну в рукописах), вигравірував Альбрехт Дюрер у 1515 р. На ній зображено 48 сузір’їв з «Альмагеста» Птолемея. Малюнки подано в оберненому вигляді, як на небесному глобусі. У першому (1603 р.) великому зоряному атласі (збірник мап) «Уранометрія» Йоган Байєр помістив мапи всіх сузір’їв «Альмагеста» й додав 12 нових сузір’їв

південного неба, виділених голландськими мореплавцями. В атласі Байєра подано 2 тис. зір — удвічі більше, ніж у Дюрера, для позначення яких використано літери грецької абетки.

Рис. 5.1. Перша мапа зоряного неба, виготовлена друкарським способом з гравюр Альбрехта Дюрера; б) Мапа зоряного неба з «Уранометрії» Й. Байєра.

Застосування телескопа підвищило точність картографування небесної сфери й дозволило Джону Флемстиду створити «Атлас неба» (опублікований у 1729 р. вже після смерті вченого). Ця робота стимулювала Йогана Боде до укладання в 1801 р. «Уранографії» — першого атласу, де вказано всі зорі, видимі неозброєним оком (а також багато слабких — усього 17 тис. зір). У ньому вперше було введено поняття меж сузір’їв. Боде, як і його попередники, використовував грецькі зображення сузір’їв. У ХІХ ст. від такого ілюстративного підходу відмовилися заради точніших позначень положень зір та їхньої яскравості. Наприклад, такий підхід застосував німецький астроном Фрідріх Вільгельм Аргеландер (1799—1875) в атласі «Боннський огляд».

Рис. 5.2. Мапа зоряного неба з «Уранографії» Й. Боде.

У ХХ ст. завдяки застосуванню фотографії відбулися значні зміни в картографуванні небесної сфери. У 50-х рр. минулого століття в обсерваторії Маунт-Паломар створено широко відомий в астрономії «Паломарський атлас неба».

Рис. 5.3. Вигляд сучасної мапи зоряного неба.

Мапи зоряного неба зазвичай виконують у формі прямокутника або круга (рис. 5.4 а та 5.4 б). На мапі, що має вигляд прямокутника, по горизонталі відкладено пряме піднесення α, по вертикалі — схилення δ світил. На мапі, що має вигляд круга, в центрі показано північний (або південний) полюс світу. Пряме піднесення α зір проставлено на обводі мапи. Радіальні лінії, що сходяться до центра мапи — це проекції кіл схилень. Принаймні вздовж чотирьох із них проставляють схилення світил δ.

Рис. 5.4. Мапа зоряного неба прямокутна (а) й у вигляді круга (б).

2. Каталоги небесних об’єктів. Перший каталог положень зір (тобто список зір із зазначенням їх координат), що дійшов до наших днів, уклав на підставі власних спостережень найвідоміший стародавній астроном Гіппарх (бл. 190—125 рр. до н.е.). Поштовхом до створення перепису всіх світил стала буцімто поява на небосхилі нової зорі. Каталог Гіппарха відтворив у своїй відомій праці «Альмагест» уславлений грецький астроном Птолемей (власне завдяки цьому до нас і дійшла робота Гіппарха). Каталог Гіппарха містить дані для 1025 зір станом (в астрономії говорять належить до епохи) на 138 р.

Перший каталог, що містить прямі піднесення і схилення зір (друга екваторіальна система координат), уклав польський астроном Ян Гевелій з допомогою кутомірного інструмента секстанта. У ньому вказано 1564 зорі для епох 1661 і 1701 рр.

Після появи телескопів (1609 р.) та меридіанних інструментів, положення зір на небесній сфері стали вимірювати значно точніше. Наприклад, пасажний інструмент і меридіанне коло дозволяють фіксувати момент проходження зорі через меридіан, а отже, її екваторіальну координату — пряме піднесення, а також визначати висоту, на якій зоря перетинає небесний меридіан, а отже, обчислювати другу екваторіальну координату — схилення.

Відтоді й дотепер на підставі великої кількості спостережень створено кілька сотень каталогів не лише зір, а й інших небесних об’єктів. Від певного часу роботи з укладання каталогів виконують, головно, у рамках міжнародної кооперації. Метою створення Головної астрономічної обсерваторії НАН України, зокрема, було виконання робіт з укладання каталогів небесних об’єктів.

Велику допомогу в роботі над створенням нових каталогів надають астрономам космічні апарати. Наприклад, спеціалізований супутник «Гіппаркос» (Hipparcos, від англ. HighPrecision Parallaxes Collecting Satellite — супутник, що визначає високоточні паралакси) дозволив створити каталог «Тіхо-2», який містить не лише координати понад 2,5 млн зір, але й їх зоряні величини, власні рухи та ін. Для майже 120 000 зір з високою точністю також визначено паралакси, а отже, й відстані.

Робота зі створення нових каталогів небесних об’єктів та картографування небесної сфери тривають і в сучасну пору. Таку роботу виконує з 2013 р. новий космічний апрарат «Ґайя» (Gaia, Global Astrometric Interferometer for Astrophysics). За результатами його роботи буде створено новий каталог, до якого мають увійти точні координати майже одного відсотка зір нашої галактики. Окрім точних координат, буде визначено відстані до цих зір, що дозволить скласти тривимірну карту Галактики.

Зрозуміло, що каталоги — це астрономічні ресурси, що вміщують дуже важливу інформацію, систематизовану за певними параметрами. Нині в астрономії існує багато різних каталогів, де вміщено інформацію про один певний тип небесних об’єктів (наприклад,

галактики) чи про різні космічні тіла, але спостережувані в якомусь одному діапазоні електромагнітного спектра.

Ще донедавна астрономічні каталоги друкували в книжках і журналах. За будь-яких умов їх наклад був обмежений, і відповідно, доступ до них також (хоча астрономи вже давно налагодили обмін науковою інформацією, тому знайти потрібний каталог для роботи було не надто складно). Тепер найважливіші каталоги укладають, а отже, й публікують, у цифровому форматі, і, що дуже важливо, передають на зберігання в Міжнародний центр астрономічних даних у Страсбурзі. Тож будь-хто з науковців, якщо треба, може звернутися до цього сховища й отримати потрібну для його роботи інформацію з відповідного каталогу.

Типова задача

Знайти на мапі зоряного неба об’єкти з координатами: 1) a = 06h45m09s, δ = -16°42'58"; 2) a = 18h36m56s, δ = +38°47'01"; 3) a = 13h25m12s, δ = -11°09'4Γ; 4) a = 04h35m55s, δ = +16°30'33''; 5) a = 05h55m 10s, δ = +07°24'25" та з’ясувати їхні назви, видимі зоряні величини і сузір’я, в яких містяться ці світила.

Відповідь: 1) Сиріус (-1,43), сузір’я Великого Пса; 2) Вега (+0,03), сузір’я Ліри; 3) Спіка (+0,98), сузір’я Діви; 4) Альдебаран (+0,85), сузір’я Тельця; 5) Бетельгейзе (+0,2), сузір’я Оріона.

Навчальне завдання

• Виготовити (вказати, де знайти файли-заготовки) та навчитися користуватися рухомою картою зоряного неба. Про рухому мапу зоряного неба докладніше в Додатку до цього параграфу.

Висновки

Мапа зоряного неба — це проекція (зображення) небесної сфери на плоску поверхню. Каталоги небесних об’єктів вміщують їхні координати на небесній сфері, а також інформацію про ці об’єкти (відстань від Землі, спектральні характеристики тощо).

Запитання для самоперевірки

1. Назвіть точку небесної сфери, що лежить у центрі карти зоряного неба, виготовленої у вигляді круга.

2. Яку систему небесних координат використовують для побудови мап зоряного неба. Чому?

3. Поясніть, що мають на увазі, коли говорять про каталог небесних об’єктів.

4. Назвіть 2—3 відомих вам каталоги небесних об’єктів.

5. Поясніть, чому нині головну роль у створенні каталогів небесних об’єктів відіграють спеціалізовані космічні апарати.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 5

1. Розділ «Мапи зоряного неба» Українського астрономічного порталу (http://www.astrosvit.in.ua/mapy).

2. Комп’ютерна програма Cartes du Ciel (Зоряні мапи) — http://www.ap-i.net/skychart/en/start.

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

Додатки

Рухома мапа зоряного неба та робота з нею

На мапі показано всі зорі яскравіші за 3-ю видиму зоряну величину, а також деякі слабкіші зорі, що доповнюють обриси сузір’їв до звичних. Зорі зображено кружечками жовтого кольору (кілька найяскравіших — червоного, відповідно до їхнього справжнього кольору) різних розмірів: що яскравіша зоря, то більший кружечок їй відповідає. Зорі в сузір’ях переважно позначені літерами грецької абетки. Змінні зорі позначені символом , а подвійні — . Молочний Шлях зображено світлою смугою.

Кола й радіальні лінії білого кольору, що розходяться від центра мапи, — це сітка небесних координат (друга екваторіальна система). У центрі мапи лежить Північний полюс світу і поруч з ним Полярна зоря (α Малої Ведмедиці). Радіуси, що розходяться від Північного полюса світу, зображують кола схилень. В їхній основі (на обводі карти) проставлені числа, що позначають пряме піднесення (α), виражене в годинах. Початкове коло схилень, позначене нулем (0а), проходить через точку весняного рівнодення, позначену знаком . Діаметрально протилежне коло схилень, із прямим піднесенням α = 12а, проходить через точку осіннього рівнодення .

Концентричні кола на мапі зображують небесні паралелі, а числа в точках їхнього перетину з нульовим і 12-годинним колами схилень показують їхнє схилення (δ), виражене в градусах. Третє числом від Полюса світу коло, що має нульове схилення, це небесний екватор, усередині якого лежить уся північна небесна півсфера, а поза ним — смуга південної небесної півсфери до схилення δ = -45°.

Ексцентричним овалом, що перетинає небесний екватор у точках рівнодень, зображено екліптику.

На обрізі мапи нанесені назви місяців і дати. Напрямок підрахунку місяців, дат і прямого піднесення — за обертанням годинної стрілки. У цьому ж напрямку рухається по екліптиці Сонце.

Мапу накриває накладний круг з отвором овальної форми, а по обводу круга нанесено годинний лімб, що зображує години доби за середнім сонячним часом Τλ(цей час прямо пов’язаний з географічною довготою λ). Напрямок лічби часу на цьому лімбі — проти обертання годинної стрілки.

Про час скажемо (докладніше в § 6) окремо. Зазвичай наші годинники показують поясний час Тп — місцевий час центрального меридіана часового поясу. в якому ми живемо (Україна лежить у другому часовому поясі, центральний меридіан якого проходить через Київ). Відмінність між Тп та Τλдля України є не дуже великою (Сонце у Луганську сходить на 38 хв раніше, а в Ужгороді — на 31 хв пізніше, ніж у Києві), тому, користуючись картою для визначення вигляду зоряного неба, цю обставину можна не враховувати. Якщо ви будете за рухомою мапою визначати моменти сходу чи заходу певних зір, варто скористатися співзалежністю Τλ= Тп + λ - 2h для визначення вашого середнього сонячного часу. І остання обставина, пов’язана з часом: пам’ятайте про літній час (у період дії літнього часу в наведеній співзалежності значення 2h слід замінити на 3h)!

Контур овального прозорого отвору в накладному крузі зображає обрій, на якому позначено «Схід» (точка сходу), «Північ» (точка півночі) і «Захід» (точка заходу). Точку півдня не зазначено з технічних причин, але вона протилежна точці півночі. Ці дві точки з’єднано відрізком, який зображає небесний меридіан (велике коло небесної сфери, що проходить через точки півночі та півдня, полюси світу й зеніт).

Щоб визначити вигляд зоряного неба на певний момент доби певного дня року (дати), потрібно сумістити штрих моменту часу (на накладному крузі) зі штрихом заданої дати (на обводі мапи). Зорі, що в цей момент перебувають над обрієм, опиняться усередині овального отвору. Поблизу контуру отвору, між точками півдня, сходу і півночі, опиняться зорі, що в цей момент сходять, а між точками півночі, заходу й півдня — зорі, що заходять. Закриті накладним кругом зорі в цей момент перебувають під обрієм.

Найкраще спостерігати небесні світила в момент їх верхньої кульмінації під час проходження через небесний меридіан, адже тоді вони перебувають найвище над горизонтом.

Як визначити момент кульмінації зорі, яка вас цікавить? Треба сумістити мапу й накладний круг так, щоб зоря опинилась на лінії небесного меридіана між Північним полюсом світу й точкою півдня. Тоді збіжні штрихи часу і дати покажуть момент верхньої кульмінації зорі в різні дні року (наприклад, зоря Арктур із сузір’я Волопаса кульмінує 25 жовтня о 12 год, а 15 травня о 22 год 30 хв). Щоб знайти моменти нижньої кульмінації, потрібно до моменту верхньої кульмінації додати 12h.

Для визначення моментів часу сходу чи заходу світила потрібно повернути накладний круг так, щоб на мапі світило перебувало на східній (дуга Південь-Схід-Північ) або на західній (дуга Північ-Захід-Південь) стороні обрію, тобто на внутрішньому контурі накладного круга.

Насамкінець зазначимо, що використання рухомої карти зоряного неба дозволяє легко визначити вигляд зоряного неба на будь-яку пору в календарному році. Якщо ж ви зацікавились зоряним небом і маєте бажання проводити спостереження певних світил, то карта допоможе заздалегідь підготуватися до цього: визначити час спостережень і зорієнтуватись у зоряному оточенні.

За результатами вивчення §5 Ви маєте:

знати й розуміти

принципи побудови мап зоряного неба й каталогів небесних об’єктів.

уміти

користуватися мапами зоряного неба (зокрема, рухомою), зоряними атласами, каталогами небесних об’єктів.

виявляти ставлення й оцінювати

важливість створення зоряних мап, атласів і каталогів для практичних потреб людства.





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