§1. Предмет астрономии

1. Что изучает астрономия. Люди издавна пытались разгадать тайну окружающего мира, определить своё место в мировом порядке Вселенной. Человек пристально наблюдал за восходами и заходами Солнца, за порядком смены фаз Луны, за движением планет среди звёзд. Люди пытались понять закономерность небесных явлений и разгадать их смысл. Из этих размышлений через мифологию и философию постепенно рождалось естественно научное знание.

Астрономия (греч. astron — звездасветилоnomos — закон) — фундаментальная наука, изучающая строениедвижениепроисхождение и развитие небесных тел, их систем и всей Вселенной в целом. Астрономия как наука — важный вид человеческой деятельности, дающий систему знаний о закономерностях в развитии природы. Цель астрономии — изучить происхождение, строение и эволюцию Вселенной.

Рисунок 1 — Наблюдение предутреннего восхода Сириуса в Древнем Египте

Важными задачами астрономии являются объяснение и прогнозиро­вание астрономических явлений, таких, как солнечные и лунные затмения, появление периодических комет, прохождение вблизи Земли астероидов, крупных метеорных тел или ядер комет. Астрономия занимается изучением физических процессов, происходящих в недрах планет, на поверхности и в их атмосферах, чтобы лучше понять строение и эволюцию нашей планеты. Восемь больших планет (среди них Земля), карликовые планеты, их спутники, астероиды, метеорные тела, кометы, межпланетная пыль и полевые формы материи вместе с Солнцем составляют гравитационно связанную Солнечную систему. Исследование движения небесных тел позволяет выяснить вопросы устойчивости Солнечной системы, вероятности столкновения Земли с астероидами и ядра­ми комет. Не теряет актуальности открытие новых объектов Солнечной системы и изучение их движения. Важно знание процессов, происходящих на Солнце, и прогнозирование их дальнейшего развития, так как от этого зависит существование всего живого на Земле. Изучение эволюции других звёзд и сравнение их с Солнцем помогают познать этапы развития нашего Светила.

Исследование нашей звёздной Галактики и других галактик позволяет определить её тип, эволюцию, место, занимаемое в ней Солнечной системой, вероятность близкого прохождения от Солнца других звёзд или прохождения Солнца через межзвёздные облака газа и пыли. Итак, астрономия изучает строение и эволюцию Вселенной. Под термином «Вселенная» понимается вся наблюдаемая область пространства, включающая в себя доступные для изучения небесные тела и их системы.

2. Возникновение астрономии. Астрономия возникла в глубокой древности. Известно, что ещё первобытные люди наблюдали звёздное небо и затем на стенах пещер рисовали то, что видели. Наблюдение звёздного неба формировало самого человека как мыслящее существо. По мере развития человеческого общества, с возникновением земледелия появилась потребность в счёте времени, создании календаря. Подмеченные закономерности в движении небесных светил, изменении вида Луны позволили древнему человеку найти и определить единицы счёта времени (сутки, месяц, год) и создать календарь, пронизывающий всю культурную и хозяйственную жизнь общества. Так, в Древнем Египте по появлению на предутреннем небе ярчайшей звезды Сириус жрецы предсказывали периоды весенних разливов Нила, определявших сроки земледельческих работ (рис. 1).

В Аравии, где из за дневной жары многие работы переносились на ночное время, существенную роль играло наблюдение фаз Луны. В странах, где было развито мореплавание, в особенности до изобретения компаса, особое внимание уделялось способам ориентирования по звёздам. В самых ранних письменных документах (3—2 е тыс. до н. э.) древнейших цивилизаций Египта, Вавилона, Китая, Индии и Америки имеются следы астрономической деятельности. В различных каменных глыб и обработанных столбов, ориентированные на астрономически значимые направления. Эти направления совпадают, например, с точками восхода Солнца в дни равноденствий и солнцестояний, что позволяет считать их древними астрономическими наблюдательными площадками. Подобные каменные солнечно лунные указатели найдены в Южной Англии — Стоунхендж (рис. 2), в России на Южном Урале — Аркаим — и других местах.

3. Разделы астрономии. Как и любая другая наука, астрономия включает ряд разделов, тесно связанных между собой. Они отличаются друг от друга предметом исследования, а также методами и средствами познания.

Николай Коперник (1473—1543)

Галилео Галилей (1564—1642)

Иоганн Кеплер   (1571—1630)

Исаак Ньютон (1643—1727)

Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765)

Рассмотрим возникновение и развитие разделов астрономии в историческом аспекте. Правильное научное представление о Земле как небесном теле появилось в Древней Греции. Александрийский астроном Эратосфен в 240 г. до н. э. весьма точно определил по наблюдениям Солнца размеры земного шара. Развивающиеся торговля и мореплавание нуждались в разработке методов ориентации, определении географического положения наблюдателя, точном измерении времени исходя из астрономических наблюдений. Решением этих задач стала заниматься практическая астрономия.

Гелиоцентрическая система мира Николая Коперника, изложенная в труде «Об обращениях небесных сфер» (1543), дала ключ к познанию Вселенной. Однако веками укоренившееся мнение о неподвижной Земле как центре Вселенной долго не уступало места новому учению. Окончательно утвердил теорию Коперника, получив бесспорные доказательства её истинности, итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей.  Астрономические открытия Галилея были сделаны с помощью простейшего телескопа.  На Луне учёный увидел горы и кратеры, открыл четыре спутника Юпитера.Обнаруженная им смена фаз Венеры свидетельствовала о том, что эта планета обращается вокруг Солнца, а не вокруг Земли. Современник Галилея Иоганн Кеплер (будучи ассистентом великого астронома Тихо Браге) получил доступ к высоким по точности результатам наблюдений планет, проводившихся в течение более чем 20 лет. Особое внимание Кеплера привлёк Марс, в движении которого обнаружились значительные отступления от прежних теорий. После длительных вычислений учёному удалось найти три закона движения планет, которые сыграли важную роль в развитии представлений об устройстве Солнечной системы. Раздел астрономии, изучающий движение небесных тел, получил название небесной механики. Небесная механика позволила объяснить и предварительно вычислить с очень высокой точностью почти все движения, наблюдаемые как в Солнечной системе, так и в Галактике.В астрономических наблюдениях использовались всё более совершенные телескопы. Зрительная труба Галилея была усовершенствована Кеплером, а затем Христианом Гюйгенсом. Исаак Ньютон изобрёл новый вид телескопа — телескоп рефлектор. С помощью модернизированных оптических приборов были сделаны новые открытия, причём относящиеся не только к телам Солнечной системы, но и к миру слабых и далеких звёзд. В 1655 г. Х. Гюйгенс разглядел кольца Сатурна и открыл его спутник Титан. В 1761 г. М. В. Ломоносов открыл атмосферу у Венеры и провёл исследование комет. Принимая за эталон Землю, учёные сравнивали её с другими планетами и спутниками. Так зарождалась сравнительная планетология.Огромные и всё увеличивающиеся возможности изучения физической природы и химического состава звёзд предоставило открытие спектрального анализа (1859—1862). Детальные исследования тёмных линий в спектре Солнца, выполненные немецким учёным Йозефом Фраунгофером, стали первым шагом в получении спектральной
информации о небесных телах. Быстрое развитие лабораторной спектроскопии и теории спектров атомов и ионов на основе квантовой механики привело к развитию физики звёзд и в первую очередь физики звёздных атмосфер.

Звёздная астрономия

В 60 е гг. XIX в. спектральный анализ становится основным методом в изучении физической природы небесных тел. Раздел астрономии, изучающий физические явления и химические процессы, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве, называется астрофизикой.
Дальнейшее развитие астрономии связано с усовершенствованием техники наблюдений. Большие успехи достигнуты в создании новых типов приёмников излучения. Фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи, ПЗС матрицы (приборы с зарядовой связью) повысили точность и чувствительность фотометрических наблюдений и ещё более расширили спектральный диапазон регистрируемых излучений. Стал доступным для наблюдений мир далёких галактик, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет. Возникли новые направления астрономии: звёздная астрономия, космология и космогония.
Временем зарождения звёздной астрономии принято считать 1837— 1839 гг., когда независимо в России, Германии и Англии были получены первые результаты в определении расстояний до звёзд. Звёздная астрономия изучает закономерности в пространственном распределении и движении звёзд в нашей звёздной системе — Галактике, исследует свойства и распределение других звёздных систем.

Космология

Космология — раздел астрономии, изучающий происхождение, строение и эволюцию Вселенной как единого целого. Выводы космологии основываются на законах физики и данных наблюдательной астрономии, а также на всей системе знаний определённой эпохи. Интенсивно этот раздел астрономии стал развиваться в первой половине ХХ в. после разработки общей теории относительности Альбертом Эйнштейном.
Космогония — раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие небесных тел и их систем. Поскольку все небесные тела возникают и развиваются, идеи об их эволюции тесно связаны с представлениями о природе этих тел вообще. При исследовании звёзд и галактик используются результаты наблюдений многих сходных объектов, возникающих в разное время и находящихся на разных стадиях развития. В современной космогонии широко применяются законы физики и химии.
Космогонические гипотезы XVIII—XIX вв. касались главным образом происхождения Солнечной системы. Затем развитие физики и астрофизики позволило приступить к серьёзному изучению происхождения и развития звёзд. В 60 х гг. ХХ в. началось исследование происхождения и развития галактик, природа которых была выяснена только в 20 х гг. ХХ в.

4. Астрономические наблюдения. Основным способом исследования небесных объектов и явлений служат астрономические наблюдения.

Рисунок 3. Один из крупнейших оптических телескопов мира — Большой южноафриканский телескоп с зеркалом размером 11 × 9,8 м (ЮАР)

Астрономические наблюдения — это целенаправленная и активная регистрация информации о процессах и явлениях, происходящих во Вселенной. Такие наблюдения выступают основным источником знаний на эмпирическом уровне.                                      На протяжении тысячелетий астрономы изучали положение небесных объектов на звёздном небе и их взаимное перемещение с течением времени. Точные измерения положений звёзд, планет и других небесных тел дают материал для определения расстояний до них и их размеров, а также для изучения законов их движения. Результатами угломерных измерений пользуются в практической астрономии, небесной механике, звёздной астрономии.
Для проведения астрономических наблюдений и их обработки во многих  странах созданы специальные научно исследовательские учреждения — астрономические обсерватории

В современных обсерваториях используют наблюдательные инструменты (телескопы), светоприемную и анализирующую аппаратуру, вспомогательные приборы для наблюдений, электронно-вычислительную технику и др. (рис. 3).

Оптические телескопы служат для собирания света исследуемых небесных тел и получения их изображения. Телескоп увеличивает угол зрения, под которым видны небесные тела, и собирает во много раз больше света, приходящего от светила, чем невооружённый глаз наблюдателя. Благодаря этому в телескоп можно рассматривать невидимые с Земли детали поверхности ближайших небесных тел, а также множество слабых звёзд.

Рисунок 4 — 100-метровый радиотелескоп обсерватории Грин Бэнк (США). 500 – метровый радиотелескоп Китай.

После Второй мировой войны начала бурно развиваться радиофизика. Усовершенствованные приёмники, антенны и оставшиеся после войны радиолокаторы могли принимать радиоизлучение Солнца и далёких космических объектов. Так возникла радиоастрономия — одна из ветвей астрофизики. Внедрение радионаблюдений в астрономию (рис. 4) обогатило её множеством выдающихся открытий.

Новым импульсом в развитии астрономических наблюдений явился выход космических аппаратов и человека в космос. Научные приборы и телескопы, установленные на космических аппаратах, позволили исследовать ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма излучение Солнца, других звёзд и галактик. Эти наблюдения за пределами земной атмосферы, поглощающей коротковолновое излучение, необычайно расширили объём информации о физической природе небесных тел и их систем.

Рисунок 5 — Активное Солнце. Фотография, сделанная спутником SOH

5. Значение астрономии. Во все времена астрономия оказывала большое влияние на практическую деятельность человека, но главное её значение заключалось и заключается в формировании научного мировоззрения. Это можно проследить, рассматривая развитие отдельных разделов астрономии. Методы ориентировки, разрабатываемые практической астрономией, применяются в мореплавании, авиации и космонавтике. Требования к точности определения координат небесных объектов (звёзд, квазаров, пульсаров) значительно возросли в связи с тем, что по ним ориентируются космические автоматические аппараты, скорости которых и покоряемые расстояния несоизмеримы с земными. В связи с освоением тел Солнечной системы возникает необходимость составления подробных карт Луны, Марса, Венеры.

Работа службы времени также связана с астрономией. В задачи данной службы входят определение, хранение и передача сигналов точного времени, что не потеряло актуальности и сейчас. Атомные часы, точность хода которых достигает 1013 с, позволяют изучать годовые и вековые изменения вращения Земли, а значит, вносить поправки в единицы измерения времени.

По мере освоения космического пространства увеличивается число задач, решать которые призвана небесная механика. Одна из них — изучение отклонений орбит искусственных спутников Земли (ИСЗ) от расчётных. Изменение высоты полёта ИСЗ над земной поверхностью зависит от средней плотности залегающих пород, что указывает на районы поиска нефти, газа или железной руды.

Исследование атмосфер тел Солнечной системы помогает лучше познать законы динамики атмосферы Земли, точнее построить её модель, а следовательно, увереннее предсказывать погоду. Практический интерес имеют для метеорологов, к примеру, вопросы образования сернистых облаков на Венере, вызывающих «парниковый эффект», или вопросы глобальных марсианских пылевых бурь, охлаждающих поверхность этой планеты.

Развитие астрофизики стимулирует разработку новейших технологий. Так, исследование источников энергии Солнца и других звёзд подсказало идею создания управляемых термоядерных реакторов. В процессе изучения солнечных протуберанцев родилась идея теплоизоляции сверх горячей плазмы магнитным полем, создания магнитогидродинамических генераторов. Результаты наблюдений Службы Солнца — международной координирующей сети по регистрации активности Солнца — используются в метеорологии, космонавтике, медицине и других отраслях человеческой деятельности (рис. 5).

Наша Земля не изолирована в пространстве, на неё воздействуют частицы и поля, идущие от Солнца и других звёзд. Многие звёзды в конце своей эволюции взрываются (так называемые Сверхновые), выделяя огромное количество энергии в течение нескольких секунд. Так, типичная вспышка сверхновой звезды на расстоянии 60 световых лет способна уменьшить озоновый слой нашей планеты в 20 раз, что, в свою очередь, приведёт к возрастанию в миллион раз потока ультрафиолетового излучения, достигающего Земли.

Звёздная астрономия изучает частоту, пространственное распределение и типы звёзд, приводящих к космическим катастрофам.

Земля — это уникальная планета, где развилась человеческая цивилизация, и если природа Земли уникальна, то и огромна ответственность людей за её сохранение.

Главные выводы
1. Астрономия — фундаментальная наука, изучающая физические тела, явления и процессы, происходящие во Вселенной.
2. Астрономия состоит из ряда разделов, например, небесная механика, сравнительная планетология, астрофизика, космология и др.
3. Основной способ исследования небесных объектов — астрономические наблюдения, выполняемые с помощью современных наземных и космических телескопов.
4. Основное назначение астрономии — формирование научного мировоззрения людей.

Контрольные вопросы и задания
1. Что изучает астрономия? Перечислите важнейшие особенности астрономии.
2. Как возникла наука астрономия? Охарактеризуйте основные периоды ее развития.
3. Какие объекты и их системы изучает астрономия? Перечислите их в порядке увеличения размеров.
4. Из каких разделов состоит астрономия? Кратко охарактеризуйте каждый из них.
5. Что такое телескоп и для чего он предназначен?
6. Каково значение астрономии для практической деятельности человечества?

 Проверь себя