Астрономия

Эта статья входит в число избранных
Эта статья прошла проверку экспертом
Материал из «Знание.Вики»
Наука
Астрономия
(от др.-греч. ἄστρον — звезда и νόμος — закон)
англ. Astronomy
Blue stragglers in NGC 6397.jpg
Предмет изучения Вселенная
Период зарождения XVIII век
Основные направления небесная механика, астрофизика, космология, планетология
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

Астроно́мия (от др.-греч. ἄστρον — звезда и νόμος — закон) — одна из древнейших естественных научных дисциплин, которая занимается изучением небесных объектов, таких как звезды, галактики и их скопления, экзопланеты, планеты Солнечной системы и их спутники, туманности, межпланетные и межзвёздные вещества, пульсары, чёрные дыры, квазары, астероиды, системы и вселенная в целом.

На ранних этапах своего развития составляла единое целое с астрологией; окончательное разделение научной астрономии и астрологии произошло в Европе эпохи Возрождения. Но только изобретение телескопа позволило астрономии развиться в современную самостоятельную науку. Исторически астрономия включала в себя астрометрию, навигацию по звёздам, наблюдательную астрономию, создание календарей и астрологию. В наши дни профессиональная астрономия часто рассматривается как синоним астрофизики.

Астрономия направлена на исследование и понимание происхождения, структуры, движения и эволюции космических объектов, а также физических процессов, происходящих в космосе. В рамках астрономии также изучаются космические явления, такие как вспышки на Солнце, космические столкновения и другие события.

История астрономии

Астрономия в древности

Созвездие Ориона — одно из самых первых созвездий, упоминаемых в древнегреческой литературе (Гесиод, поэма «Труды и дни»).

Астрономия возникла в глубокой древности в результате потребности людей определять время и ориентироваться при путешествиях. Уже простейшие наблюдения небесных светил невооружённым глазом позволяют определять направления как на суше, так и на море, а изучение периодических небесных явлений легло в основу измерения времени и установления системы календаря, позволяющего предвидеть сезонные явления, что было важно для практической деятельности людей. Астрономические знания Древнего Китая дошли до нас в очень неполном и часто искажённом виде. Они состояли в определении времени и положения среди звёзд точек равноденствий и солнцестояний и наклонения эклиптики к экватору. В I веке до нашей эры уже были известны точные синодические периоды движения планет. В Индии была составлена система летосчисления, в которой большую роль играло движение Юпитера. В Древнем Египте по наблюдениям звёзд определяли периоды весенних разливов Нила, обусловливавших сроки земледельческих работ; в Аравии, где из-за дневной жары многие работы совершались по ночам, существенную роль играли наблюдения фаз Луны; в Древней Греции, где было развито мореплавание и вопросы ориентирования были крайне актуальными, в особенности до изобретения компаса, получили развитие способы ориентирования по звёздам. У многих народов, в частности в странах ислама, с периодичностью небесных явлений, главным образом фазами Луны, был связан религиозный культ. Довольно точные астрономические наблюдения производились и передавались последующим поколениям уже в самой глубокой древности. Период чередования лунных фаз (синодический месяц) был известен с точностью до нескольких минут, о чём свидетельствует найденный в V веке до нашей эры Метонов цикл, в котором по истечении девятнадцати лет фазы Луны падают на те же даты года. Период повторяемости солнечных затмений, составляющий восемнадцать лет десять дней и названный Саросом, был известен уже в VI веке до нашей эры. Все эти сведения были получены на основе многовековых наблюдений небесных явлений древними народами Китая, Египта, Индии и Греции. Так появилось деление звёздного неба на созвездия, различные у разных народов. Но, кроме таких неподвижных звёзд, уже в незапамятные времена стали известны семь подвижных светил: Солнце, Луна и пять планет, которым были присвоены имена римских божеств — Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн[1][2][3].

Небесный диск из Небры (Германия, около XVII века до н. э.)

В честь Солнца, Луны и пяти планет были установлены семь дней недели, названия которых в ряде языков до сих пор отражают это. Проследить движение по звёздному пути Луны и планет было нетрудно, так как они видны ночью на фоне окружающих звёзд. Установить такое движение Солнца помогли наблюдения ярких звёзд, которые появлялись перед восходом Солнца на фоне утренней зари. Эти наблюдения в сочетании с измерением полуденной высоты Солнца над горизонтом с помощью простейших приспособлений позволили довольно точно определить путь Солнца среди звёзд и проследить его движение, совершающееся с годичным периодом по наклонному к экватору большому кругу небесной сферы, названному эклиптикой. Расположенные вдоль него созвездия получили название зодиакальных. В Древнем Китае звёздное небо было подробно изучено и разделено на сто двадцать два созвездия, из них двадцать восемь зодиакальных. Составленный там список восемьсот семи звёзд на несколько столетий опередил звёздный каталог греческого учёного Гиппарха. Но у большинства народов было двенадцать зодиакальных созвездий, и Солнце в течение года проходило каждое созвездие примерно в течение месяца. Луна и планеты также движутся по зодиакальным созвездиям. В то время как движение Солнца и Луны всегда происходит в одном направлении — с запада на восток (прямое движение), движение планет гораздо сложнее и временами совершается в обратном направлении (попятное движение). Причудливое движение планет, не укладывавшееся в простую схему и не подчинявшееся элементарным правилам, казалось, говорило о существовании у них личной воли и способствовало их обожествлению древними. Это, а также такие «устрашающие» явления, как лунные и особенно солнечные затмения, появление ярких комет, вспышки новых звёзд, породили лженауку — астрологию, в которой расположения планет в созвездиях и упомянутые явления связывались с происшествиями на Земле и служили для предсказания судьбы народов или отдельных личностей. Не имея ни малейшей научной основы, астрология, используя суеверия и невежество людей, тем не менее получила распространение и надолго удержалась у многих народов[1][2][3].

Геоцентрическая система мира

Геоцентрическая система мира
Иллюстрация геоцентрической системы мира из атласа Андрея Целлария Harmonia Macrocosmica (1708)

Для усовершенствования теорий движений планет потребовалось основательное знание геометрии, разработанной в Греции. В это время Евдокс Книдский, предшественник Аристотеля, создал теорию гомоцентрических сфер, согласно которой планета прикреплена к поверхности полой сферы, равномерно вращающейся внутри другой сферы, тоже вращающейся вокруг оси, не совпадающей с осью вращения первой сферы. В центре этих сфер находится Земля. Для представления сложного движения некоторых планет потребовалось несколько таких концентрических сфер, общее число которых доведено учеником Евдокса Калиппом до пятидесяти пяти. Позже, в III веке до нашей эры, греческий геометр Аполлоний Пергский упростил эту теорию, заменив вращающиеся сферы кругами, и этим положил основу теории эпициклов, получившую своё завершение в сочинении древнегреческого астронома Птолемея, известном под названием «Альмагест». Принималось, что все небесные светила движутся по окружностям и притом равномерно. Неравномерные движения планет, изменения направления их движения объясняли, предполагая, что они одновременно участвуют в нескольких круговых равномерных движениях, происходящих в разных плоскостях и с разными скоростями. Земля, о шарообразности которой учила уже Пифагорейская школа в VI векедо нашей эры, считалась покоящейся в центре Вселенной, что соответствовало непосредственному впечатлению, создаваемому видом звёздного неба; окружность земного шара измерил в III веке до нашей эры Эратосфен в Александрии. Для практического применения теория эпициклов нуждалась в значениях величин, определяющих периоды обращения планет, взаимные наклоны их орбит, длины дуг попятных движений, которые можно было получить только из наблюдений, измеряя соответствующие промежутки времени и углы. Для этого были созданы различные приспособления и инструменты, сначала простейшие, такие как гномон, а затем и более сложные — трикветрумы и армиллярная сфера. Последние позволяли определять эклиптические координаты «неподвижных» звёзд. Их списки были составлены в древности китайским астрономом Ши Шэнем в IV веке до нашей эры, греческим астрономом Тимохарисом в III веке до нашей эры и Гиппархом во II веке до нашей эры. Каталог Гиппарха содержит тысячу двадцать две звезды с указанием их эклиптические широты и долготы и оценкой блеска в условной шкале звёздных величин, применяемой и поныне. При сравнении своего каталога с каталогом Тимохариса он обнаружил увеличение долгот всех звёзд и объяснил его движением точки весеннего равноденствия, от которой долготы отсчитываются. Так было открыто явление прецессии[1][2][3].

Астрономия в средние века

«Альмагест» Птолемея

«Альмагест» Птолемея, в котором были подытожены астрономические знания того времени, оставался в течение многих веков фундаментом геоцентрической системы мира. Возникновение христианства с его догматизмом, нашествия варваров привели к упадку естествознания и, в частности, Астрономии в средние века. В течение целого тысячелетия в Европе было мало прибавлено, но много позабыто из того, что было известно о строении Вселенной благодаря трудам учёных античного мира. Священное писание явилось каноном, из которого черпались ответы на все вопросы, в том числе и из области Астрономии. Лишь арабы и соприкасавшиеся с ними народы сделали попытку если не реформировать Астрономию, то по крайней мере уточнить новыми наблюдениями старые теории. Абдуллах аль-Мамун распорядился в 827 году перевести сочинение Птолемея с греческого на арабский язык. Аль-Баттани в конце IX — начале X веков произвёл многочисленные наблюдения, уточнив значения годичной прецессии, наклона эклиптики к экватору, эксцентриситета и долготы перигея орбиты Солнца. В том же X веке Абу-ль-Вафа аль-Бузджани открыл одно из неравенств (неправильностей) в движении Луны. Большие заслуги в развитии Астрономии принадлежат Аль-Бируни, автору разнообразных астрономических исследований. Астрономия процветала у арабских народов и в Средней Азии вплоть до XV века[1][2][3].

Многие крупнейшие учёные наряду с другими науками занимались уточнением астрономических постоянных геоцентрической теории. Особенно известны астрономические таблицы, составленные в 1252 году еврейскими и мавританскими учёными по распоряжению Кастильского правителя Альфонсо X и поэтому называвшиеся альфонсовыми. Наблюдательная Астрономия получила развитие в Азербайджане, где Насир ад-Дин Туси соорудил большую обсерваторию в Мараге. По размерам, количеству и качеству инструментов выдающееся место заняла обсерватория Улугбека в Самарканде, где в 1420 году был составлен новый большой каталог звёзд. Арабы сохранили от забвения классическую Астрономию греков, обновили планетные таблицы, развили теорию, но, следуя Птолемею, не внесли в Астрономию коренных реформ. В эту эпоху астрономические наблюдения производились также в Китае и Индии. В XII—XIII веках некоторое оживление естествознания стало замечаться также и в Европе. Постепенно, не без влияния арабов, наиболее просвещённые люди знакомились с наукой и философией древних греков, сочинения которых переводили на латинский язык. Учение Аристотеля было признано согласным с церковной догмой: геоцентрическая система мира не противоречила священному писанию. В Италии, а затем и в других странах Западной Европы учреждались университеты, которые, хотя и находились под сильным влиянием церковной схоластики, всё же содействовали развитию естествознания[1][2][3].

Гелиоцентрическая система мира

Гелиоцентрическая модель солнечной системы по Копернику
Иллюстрация гелиоцентрической системы мира из атласа Андрея Целлария Harmonia Macrocosmica (1708)

В связи с развивающимися мореплаванием и географическими исследованиями, требовавшими уточнения знаний положений звёзд и планет, несколько выдающихся астрономов, главным образом в Германии, возобновили наблюдения для усовершенствования планетных таблиц. В передовых университетах преподавалась геометрия, необходимая для усвоения теории эпициклов, и изучался «Альмагест», несколько переводов которого на латинский язык было напечатано в Венеции и в Базеле. Всё это благоприятствовало тому, что польский астроном Николай Коперник, познакомившийся в Краковском университете и затем в Италии со всеми подробностями теории эпициклов, по возвращении в Польшу произвёл полный переворот в Астрономии, вскрыв истинное строение планетной системы с Солнцем в центре и движущимися вокруг него планетами, в том числе и Землёй вместе с её спутником Луной. Уже древнегреческий астроном Аристарх Самосский в III веке до нашей эры высказывал мысль, что Земля движется вокруг Солнца, а Гераклит ещё раньше предполагал, что Земля вращается вокруг оси. Но только Коперник во всех деталях разработал и обосновал гелиоцентрическую систему мира и последовательно изложил её в сочинении «О вращении небесных сфер», напечатанном в 1543 году. Этот труд дал ключ к познанию Вселенной в её действительном строении, а не в виде математической абстракции, описывающей лишь видимую сторону явлений. Однако веками укоренившееся мнение о неподвижной Земле как центре Вселенной, разделяемое церковью, долго не уступало места новому учению, которое не могли понять даже многие выдающиеся люди того времени[1][2][3].

Коперник. Беседа с Богом. Картина Яна Матейко, 1872

Считалось, что система Коперника лишь гипотеза, предназначенная для вычисления планетных движений, чему способствовало предисловие издателя книги Коперника, напечатанное без ведома автора. Даже крупнейший наблюдатель датский астроном Тихо Браге отказывался принять и даже понять гелиоцентрическую систему. Окончательно утвердил теорию Коперника, получив непреложные доказательства её истинности, итальянский физик, механик и астроном Галилео Галилей. Другой проповедник множественности обитаемых миров — Джордано Бруно, за это, с точки зрения церкви, еретическое учение после семилетнего заключения был сожжён в Риме на костре. Астрономические открытия Галилея были сделаны с помощью телескопа, незадолго перед тем изобретённого в Голландии. Галилей, узнав об этом изобретении, летом 1609 года в Венеции сделал собственную зрительную трубу и уже в начале следующего года оповестил весь мир о своих удивительных открытиях. На Луне он увидел горы, обнаружил диски у планет, Млечный Путь оказался состоящим из бесчисленных звёзд, невидимых невооружённым глазом, в звёздном скоплении Плеяд он насчитал свыше сорока звёзд. Затем он открыл четыре спутника Юпитера, которые, обращаясь вокруг центральной планеты, представляли уменьшенную копию планетной системы. Обнаруженная им смена фаз Венеры свидетельствовала о том, что эта планета обращается вокруг Солнца, а не Земли. На самом Солнце Галилей увидел пятна, разделив честь этого открытия с немецкими астрономами Христофором Шейнером и Иоганном Фабрициусом. И только тогда, когда гелиоцентрическая система мира получила своё подтверждения, католическая церковь приняла меры к её запрету, считая, что она подрывает авторитет Священного писания. Перед судом инквизиции Галилей был вынужден отречься от учения Коперника. Само же сочинение Коперника было внесено в список запрещенных книг, который был снят лишь через двести лет[1][2][3].

Научная революция

Гелиоцентрическая модель Николая Коперника была одним из важнейших достижений научной революции. Она предполагала, что планеты, включая Землю, вращаются вокруг Солнца, а не вокруг Земли. Это новое представление о космосе привело к изменению в понимании структуры и движения Солнечной системы. Сущность своей системы мира Коперник изложил в посвящении папе Павлу III:

Обдумывая долгое время шаткость переданных нам математических догматов касательно взаимного соотношения движения небесных тел, я стал досадовать, наконец, на то, что философам, стремящимся обычно к распознаванию самых ничтожных вещей, до сих пор ещё не удалось с достаточной верностью объяснить ход мировой машины, созданной лучшим и любящим порядок Зодчим… Обыкновенно принято, что Земля находится в покое, но пифагореец Филолай допускает, что Земля, равно как и Солнце и Луна, движется вокруг огня по косому кругу. Гераклит Понтский, а равно и пифагореец Экфант также придают Земле движение, но не поступательное, а вращательное, вследствие которого она, подобно колесу па направлению от заката к востоку, вращается вокруг своего центра… После долгих и многократных исследований я пришёл, наконец, к заключению, что если отнести движения прочих блуждающих светил к кругу, по коему движется Земля, и на этом основании вычислить движение каждого светила, то не только представляемые ими явления будут вытекать как следствия, но что самые светила и пути оных, по последовательности или по величине своей, а само небо явятся в такой между собой связи, что нигде, ни в одной части нельзя чего-либо изменить, не запутывая остальных частей и всего целого[4]

Однако для того, чтобы гелиоцентрическая модель была признана и широко принята, необходимо было больше, чем просто предложение новой идеи. Исследования Иоганна Кеплера, основанные на наблюдениях и математических расчетах, подтвердили и уточнили гелиоцентрическую модель. Его законы движения планет стали основой для понимания небесных механизмов[5].

Затем Исаак Ньютон разработал теорию гравитации, объясняющую, почему планеты движутся вокруг Солнца и как действует сила, удерживающая их на орбитах. Его работа «Математические начала натуральной философии» (обычно называемая «Принципами») стала основой для понимания законов движения небесных тел[5].

Кроме того, теория гравитации Ньютона не только объясняла движение планет вокруг Солнца, но и стала универсальным законом взаимодействия между всеми материальными объектами во Вселенной. Этот закон гравитации позволил объяснять такие явления, как приливы, движение спутников и даже траектории космических объектов[5].

Гелиоцентрическая модель, подтвержденная законами Кеплера и теорией гравитации Ньютона изменила наше представление о месте Земли во Вселенной и заложила основы для современной астрономии и физики[5].

Развитие небесной механики

Портрет Кеплера в 1620 г., автор неизвестен
Анимация небесной механики

Современник Галилея Иоганн Кеплер, будучи в Праге ассистентом Тихо Браге, после смерти последнего получил непревзойдённые по точности результаты наблюдений планет, проводившихся в течение более чем двадцати лет. Особое внимание Кеплера привлёк Марс, в движении которого он обнаружил значительные отступления от всех прежних теорий. Ценой огромного труда и длительных вычислений ему удалось найти три закона движения планет, сыгравших важную роль в развитии небесной механики (Законы Кеплера), первый закон, гласящий, что планеты движутся по эллипсам, в фокусе которых находится Солнце, разрушил тысячелетнее представление о том, что орбиты планет обязательно должны быть окружностями. Второй закон определил переменную скорость движения планеты по орбите. Третий закон установил математическую связь между размерами эллиптических орбит и периодами обращения планет вокруг Солнца. Таблицы движения планет, составленные Кеплером на основании этих законов, намного превзошли по точности все прежние и оставались в употреблении в течение всего XVII века[1][2][3].

Дальнейший прогресс Астрономии тесно связан с развитием математики и аналитической механики, с одной стороны, и с успехами оптики и астрономического приборостроения с другой. Фундаментом небесной механики явился закон всемирного тяготения, открытый Исааком Ньютоном в 1685 году. Следствием этого закона оказались и законы Кеплера, но лишь для того частного случая, когда планета движется под влиянием притяжения одного лишь центрального тела — Солнца. Выяснилось, что в реальном случае, при наличии взаимного притяжения между всеми телами Солнечной системы, движение планет сложнее, чем описываемое законами Кеплера, и если они всё же соблюдаются с хорошим приближением, то это результат сильного преобладания притяжения массивного Солнца над притяжением всех остальных планет[1][2][3].

Гравитационная сила, выражающаяся простой формулой в случае притяжения между двумя материальными точками, приводит к очень сложным математическим построениям в случае нескольких точек или притяжения между телами, состоящими из многих материальных точек. Именно такими являются все тела Солнечной системы, да и все космические тела вообще. Лишь благодаря трудам многих математиков, прежде всего Ньютона, затем Лагранжа, Эйлера, Лапласа, Гаусса, сложнейшая задача о движении, фигурах и вращении планет с их спутниками была решена с высокой точностью. Блестяще подтвердившееся предсказание английского астрономом Эдмундом Галлеем следующего появления кометы, носящей теперь его имя, и вычисление французским учёным Алекси Клеро момента прохождения кометы через перигелий в 1759 году, открытие в 1846 году — Нептуна по вычислениям французского астронома Урбена Леверье, обнаружение на основе вычислений невидимых спутников у некоторых звёзд, впоследствии увиденных в большие телескопы, явились блестящими подтверждениями того, что движение небесных тел происходит в основном под действием гравитационных сил. Наиболее сложным является движение Луны вокруг Земли, но и его удалось представить с почти исчерпывающей точностью[1][2][3].

Развитие телескопии

Щель Кассини, снимок с зонда «Кассини». Точно по центру — щель Лапласа, немного правее (непосредственно перед кольцом B) — щель Гюйгенса.
«Телескоп Галилея», Музей Галилея (Флоренция)

Усовершенствование телескопа шло сначала довольно медленно. По сравнению с трубой Галилея некоторым улучшением было предложение Кеплера заменить рассеивающую окулярную линзу собирающей, что расширило поле зрения и позволило применять более сильные увеличения. Этот простой окуляр был затем усовершенствован Христианом Гюйгенсом и применяется поныне. Однако вследствие хроматической и отчасти сферической аберрации изображения продолжали оставаться расплывчатыми, с радужными каёмками, что заставляло для уменьшения их влияния увеличивать фокусные расстояния объективов, сохраняя сравнительно малые их диаметры, так как в то время не умели выплавлять большие блоки оптического стекла. Но и с такими несовершенными инструментами был сделан ряд важных открытий. Так, Гюйгенс в 1655 году разглядел кольца Сатурна. Гюйгенс открыл наиболее яркий спутник Сатурна, Доменико Кассини обнаружил ещё четыре других, более слабых спутника. Он же в 1675 году заметил, что кольцо состоит из двух концентрических частей, разделённых тёмной полоской — «щель Кассини». В 1675 году Оле Рёмер по наблюдениям затмений спутников Юпитера открыл конечность скорости света и измерил её. Дальнейшее усовершенствование оптических инструментов пошло по другому пути. Ошибочно считая, что дисперсия света пропорциональна преломлению. Ньютон пришёл к заключению, что невозможно сделать объектив ахроматическим. Это явилось толчком к созданию рефлекторов, в которых изображение строится вогнутым зеркалом, принципиально лишённым хроматизма. Постепенное совершенствование искусства шлифовки зеркал, сделанных из сплава олова с медью, позволило делать рефлекторы всё больших размеров, допускающих очень сильные увеличения. В 1789 году Уильям Гершель довёл диаметр зеркала до ста двадцати двух сантиметров. Однако начиная с середины XVIII века рефракторы также получили существенное усовершенствование. В это время были созданы стекла с большой дисперсией, и объективы стали делать двойными, сочетая два сорта стекла. Наряду со значительным уменьшением хроматизма такие объективы были свободны и от сферической аберрации, что позволило во много раз сократить длину трубы, повысить проницающую силу инструментов и получать чёткое изображение без радужных каёмок.[1][2][3].

В результате обширных систематических наблюдений Гершель обосновал ограниченность звёздной системы в пространстве и укрепил предположения Ламберта о существовании многих звёздных систем, из которых та, где находится Солнце, ограничивается Млечным Путём. Лишь в XX веке эта теория «островной Вселенной» получила подтверждение и дальнейшую разработку. Роль телескопа в Астрономии далеко не исчерпывается такими открытиями. Может быть ещё важнее применение телескопа к точным угловым измерениям. Уильям Гаскойн в 1640 году поместил в фокусе телескопа нити, которые видны на фоне наблюдаемого объекта, и этим повысил точность визирования во много десятков раз. Им же был изобретён первый окулярный микрометр для измерений малых угловых расстояний между деталями изображения, одновременно видимыми в поле зрения телескопа. Жак Пикар в 1667 году снабдил телескоп разделёнными кругами, по которым отсчитывались углы с точностью до секунды дуги; это определило и соответствующую точность измерений сферических координат звёзд, без чего не был бы возможен дальнейший прогресс в области астрометрии и Звёздной астрономии. Всё это помогло начать изучение распределения и движения звёзд в системе Млечного Пути, получившей впоследствии название Галактика. Телескопические же наблюдения привели английского астронома Джеймса Брэдли в 1725 году к открытию явления аберрации света, которое он правильно объяснил конечной скоростью света, а в 1748 — к открытию нутации земной оси[1][2][3].

Развитие астрофизики

Спиральная галактика M 81

До середины XVIII века из разделов Астрономии, составляющих современную астрофизику, лишь фотометрия, первоначально ограничивавшаяся глазомерными оценками блеска звёзд, получила экспериментальную разработку в трудах французского учёного Пьера Бугера и теоретическое обоснование в исследованиях немецкого учёного Иоганна Ламберта. Тогда же было окончательно доказано, что Солнце есть звезда, отличающаяся от других звёзд лишь близостью к нам, а что если его удалить на расстояния звёзд, то оно ничем не будет от них отличаться. Изучение количества звёзд: разных звёздных величин позволило Василию Струве в 1847 году обосновать существование поглощения света в межзвёздном пространстве — явления, окончательно подтвержденного в 1930 году американским астрономом Робертом Трамплером. Огромные и всё увеличивающиеся возможности исследования физической природы и химического состава звёзд были получены благодаря изобретению спектрального анализа. Пионерами применения этого метода к Солнцу, звёздам и туманностям были Уильям Хёггинс и Норман Локьер. Чешский физик Доплер сформулировал в 1842 году свой знаменитый Эффект Доплера, уточнённый Арманом Физо в 1848 году и экспериментально проверенный Аристархом Белопольским на лабораторной установке в 1900 году[1][2][3].

Астрономия в XX веке

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела для некоторых близких или ярких звёзд. Кривыми линиями обозначены классы светимости.

Астрономия в XX веке характеризуется огромным развитием техники наблюдений, которые строятся по всему миру. Большие успехи достигнуты в создании новых типов приёмников излучения. Во много раз повышена чувствительность фотоэмульсий и расширена их спектральная область. Фотоэлектронные умножители, электроннооптические преобразователи, методы электронной фотографии и телевидения значительно повысили точность и чувствительность фотометрических наблюдений и ещё более расширили спектральный диапазон регистрируемых излучений. Совершенствование спектральной аппаратуры позволило, с одной стороны, получать спектрограммы с очень высокими дисперсиями, а с другой — регистрировать спектры очень слабых светил. Стал доступным наблюдению мир далёких галактик, находящихся на расстояниях миллиарды световых лет. В 30-х годах XX века возник новый, быстро развивающийся раздел Астрономии — радиоастрономия: было обнаружено, что из многих точек небесной сферы к нам приходят электромагнитные излучения в диапазоне от миллиметровых до метровых волн. Многие из этих источников излучения были отождествлены с галактиками[1][2][3].

Значительных успехов достигли исследования Солнца. Использование специальных фильтров, пропускающих очень узкую полосу спектра, позволило изучить распределение и движение отдельных элементов — водорода, гелия, кальция в солнечной хромосфере. Благодаря разработке специальной методики и аппаратуры стало возможным наблюдать солнечную корону вне затмений — в ясный день, а Эффект Зеемана дало возможность изучать магнитные поля на Солнце, определяющие ряд явлений как на Солнце, так и на Земле. Огромное значение для исследования звёздной системы и эволюции звёзд имеет зависимость светимости звёзд от спектрального класса, выражающаяся Герцшпрунга — Ресселла диаграммой и позволяющая составить более полные представления о путях развития звёзд. Успехи современной физики помогли найти и изучить источники звёздной энергии и разработать теорию эволюции звёзд на основе ядерных процессов, совершающихся в их недрах. Постепенно формировалось сознание того, что мир произошёл не в результате единовременного акта творения, а что образование звёзд, планетных систем и других небесных объектов есть постоянный процесс, совершающийся и в настоящее время. Подтверждением этого явились закономерности звёздных ассоциаций, изучение которых начато Виктором Амбарцумяном в 1946 году. Эти объекты состоят из широко рассеянных групп сравнительно молодых звёзд совместного происхождения, возраст которых оценивается в несколько миллионов лет, тогда как возраст Солнца исчисляется миллиардами лет. Начато изучение ещё одного важного космогонического фактора, играющего большую роль в процессах, совершающихся в межзвёздной среде. Это — межзвёздные магнитные поля. В то время как раньше космогонические теории строились с учётом лишь инерциальных сил и сил всемирного тяготения, теперь принимаются во внимание также и другие воздействия — световое давление и магнитные силы[1][2][3].

Задачи и разделы астрономии

Представление о наблюдаемой Вселенной, которое включает в себя изображения с различных телескопов.

Астрономия исследует тела Солнечной системы, звёзды, галактические туманности, межзвёздное вещество, Галактику (систему Млечного Пути), другие галактики, их распределение в пространстве, движение, физическую природу, взаимодействие, происхождение и развитие. Астрономия изучает и разрабатывает способы использования наблюдений небесных тел для практических нужд человечества. Таковы служба времени, определение географических координат и азимутов на земной поверхности, изучение фигуры Земли по наблюдениям искусственных спутников Земли, ориентация искусственных спутников и космических зондов по звёздам. Астрономия способствует выработке правильных материалистических представлений о мироздании[1][2][6].

Астрономия тесно связана с другими точными науками, прежде всего — с математикой, физикой и некоторыми разделами механики, используя достижения этих наук и, в свою очередь, оказывая влияние на их развитие. В зависимости от предмета и методов исследований Астрономия разделяется на ряд дисциплин (разделов). Астрометрия занимается построением основной инерциальной системы координат для астрономических измерений, определением положений и движений небесных объектов, изучением закономерностей вращения Земли и исчислением времени, определением значений фундаментальных астрономических постоянных; к ней относятся также Сферическая астрономия, включающая математические методы определения видимых положений и движений небесных объектов, и Практическая астрономия, посвященная теории угломерных инструментов и применению их для определения времени, географических координат (широты и долготы) и азимутов направлений[1][2][6].

Небесная механика изучает движения небесных тел, в том числе и искусственных (Астродинамика) под влиянием всемирного тяготения, а также фигуры равновесия небесных тел.Звёздная астрономия рассматривает систему звёзд, образующую нашу Галактику (Млечный Путь), а Внегалактическая астрономия — другие галактики и их системы. Астрофизика, включающая астрофотометрию, астроспектроскопию и другие разделы, исследует физические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве, а также химические процессы в них. Радиоастрономия изучает свойства и распределение в пространстве космических источников излучения радиоволн. Создание искусственных спутников Земли и космических зондов привело к возникновению имеющей большое будущее внеатмосферной астрономии (Внеатмосферная астрономия). Космогония занимается вопросами происхождения как отдельных небесных тел, так и их систем, в частности Солнечной системы, а Космология — закономерностями и строением Вселенной в целом[1][2][6].

Виды астрономии

Астрономия наблюдений

Область астрономии, которая занимается получением данных о небесных объектах с помощью телескопов и других астрономических приборов. В отличие от других наук, астрономия не имеет возможности проводить эксперименты с объектами Вселенной. Однако, благодаря возможности наблюдать и исследовать множество астрономических явлений, астрономы могут выявлять закономерности и свойства этих объектов. Например, изучение близких объектов с определёнными свойствами, таких как переменные звезды, позволяет распространить полученные результаты на более далекие объекты с аналогичными свойствами. Таким образом, можно оценить расстояния до других галактик, используя зависимость светимости от периода пульсации цефеид[7].

История наблюдательной астрономии начинается с Галилео Галилея, который использовал телескоп для наблюдения небесных объектов и записи результатов своих наблюдений. С тех пор техника создания телескопов значительно совершенствовалась, и наблюдательная астрономия продолжает развиваться[7].

Методы изучения

Современные астрономы могут проводить наблюдения не только электромагнитного излучения при регистрации, но также нейтрино[8], космических лучей[9] и гравитационных волн[10].

Фотография была сделана в обсерватории Ла-Силья. Оптическая и радиоастрономия могут использовать наземные обсерватории, так как земная атмосфера прозрачна для данных диапазонов длин волн. Обычно обсерватории располагаются на больших высотах, чтобы уменьшить поглощение и искажения, вызываемые атмосферой. Некоторые длины волн инфракрасного диапазона сильно поглощаются молекулами воды, поэтому обсерватории часто строятся в сухих местах на большой высоте или в космосе. Для длин волн, используемых в рентгеновской, гамма- и ультрафиолетовой астрономии, атмосфера непрозрачна, за исключением нескольких окон прозрачности. Поэтому наблюдения в основном проводятся на аэростатах или космических обсерваториях. Мощное гамма-излучение можно обнаружить по атмосферным ливням, которые они создают; исследование космических лучей является быстро развивающейся областью астрономии[11].

Разделы

Оптическая астрономия изучает видимое излучение с длиной волн от 400 нм до 700 нм[12].

Инфракрасная астрономия занимается излучением с длиной волн более 1 мкм, используются телескопы-рефлекторы. Радиоастрономия изучает излучение от миллиметров до десятков метров, приемники чувствительны к радиоизлучению. Астрономия высоких энергий включает рентгеновскую, гамма- и ультрафиолетовую астрономию. Каждая область астрономии имеет свои уникальные методы и оборудование для изучения космоса. Оптическая астрономия использует оптические телескопы с линзами или зеркалами для сбора и фокусировки света от объектов в космосе. Инфракрасная астрономия требует специальных инфракрасных датчиков и телескопов, способных обнаруживать тепловое излучение объектов, невидимое в видимом спектре[13].

Радиоастрономия использует радиотелескопы для изучения радиоизлучения от космических объектов, таких как звезды, галактики и космические облака. Эти телескопы работают на различных частотах и могут обнаруживать радиосигналы от самых отдаленных объектов во Вселенной[14].

Астрономия высоких энергий, такая как рентгеновская, гамма- и ультрафиолетовая астрономия, требует специализированного оборудования для обнаружения и измерения коротковолнового излучения от источников, таких как черные дыры, нейтронные звезды и активные галактики. Для этого используются рентгеновские телескопы, детекторы гамма-излучения и специальные ультрафиолетовые приборы[15].

Результаты наблюдений

Существуют различные методы наблюдения объектов. Близкие к Земле и Солнцу объекты можно наблюдать и измерять их положения на фоне более далеких объектов. Эти наблюдения использовались для построения моделей орбит планет и определения их относительных масс и гравитационных возмущений. Благодаря таким наблюдениям были открыты планеты Уран, Нептун и Плутон. Также были высказаны предположения о существовании планеты Вулкан внутри орбиты Меркурия, но затем прецессия орбиты Меркурия была объяснена в рамках общей теории относительности[7].

Теоретическая астрономия

Изучение эволюции систем представляет собой анализ процессов, которые происходили в течение миллионов или миллиардов лет. Астрономы не могут наблюдать систему с момента её зарождения и до смерти, поэтому они анализируют данные о небесных телах, которые имеют схожие свойства, но находятся на разных этапах эволюции. Эти сведения позволяют учёным определить, как формируются, эволюционируют и умирают космические объекты[16].

Задачи теоретической астрономии

Исаак Ньютон разработал первый геометрический метод расчета параболических орбит в 1686 году на основе закона всемирного тяготения[17] и наблюдений. Эдмонд Галлей применил метод Ньютона, чтобы сделать вывод, что орбита кометы эллиптическая. Позже Леонард Эйлер разработал аналитический метод расчета орбит комет, но на практике он оказался неудобен. Метод Эйлера был расширен и использован в моделях больших планет и траектории Луны. Ламберт обобщил теорию Эйлера для других орбит, а Лагранж предложил аналитические методы, но их было трудно использовать на практике. Гаусс разработал более практичный метод расчета эллиптических орбит, а Ольберс создал метод определения параболических орбит комет[18].

В теоретической астрономии основной задачей является вычисление элементов орбит небесных объектов на основе наблюдений их видимого положения на небосводе в различные моменты. Проводимые наблюдения позволяют определить направление от нашей планеты к светилу и вычислить элементы орбиты[19]. Теоретическая астрономия рассчитывает эфемериды, таблицы расположения небесных объектов на небе, а также предсказывает солнечные и лунные затмения, и орбиты двойных звезд. Предварительную орбиту можно получить из нескольких наблюдений, но для точности требуется много наблюдений. Небесная механика учитывает возмущения движения планет для уточнения расчетов орбит[18].

Космология

Изучает общую структур и эволюцию Вселенной. Включает в себя анализ космического масштаба, а также теории о происхождении и будущем Вселенной в целом. Астрономические наблюдения являются основным источником данных для космологии. В 1915 году Альберт Эйнштейн разработал теорию относительности, которая помогла интерпретировать полученные данные[20].

Представители теоретического направления стремятся объяснить Вселенную с помощью наиболее логичных и простых теорий. В настоящее время наибольшей популярностью пользуется теория Большого взрыва[21] Согласно теории большого взрыва, вселенная возникла около 13,8 миллиардов лет назад из плотного и горячего состояния. По мере её расширения звезды, галактики и другие объекты перемещались относительно друг друга. Теория инфляции объясняет быстрое расширение, делающее Вселенную однородной и плоской. Тёмная материя и энергия, невидимые и невзаимодействующие, влияют на развитие Вселенной, причем тёмная материя составляет большую часть её массы, но остается загадкой[20][22].

Планетология

Планетология — комплекс наук, изучающих планеты, спутники, солнечные системы и экзопланеты. Она изучает физические свойства, химический состав, структуру поверхности и внутренней и внешней оболочки, а также условия формирования и развития. Область планетологии объединяет такие дисциплины, как планетарная геология, физическая география, науки об атмосфере, теория и исследование экзопланет, а также связи с космической физикой, астробиологией и изучением солнечной системы[23][24][25].

Планетная астрология

Планетарная астрономия состоит из двух разделов: теоретического и наблюдательного. Наблюдательные исследования сосредоточены на малых телах Солнечной системы с использованием оптических и радиотелескопов, определяющих такие особенности, как форма, вращение, состав и рельеф поверхности. Теоретические исследования применяют законы небесной механики к солнечным и вне солнечным планетным системам, изучая динамику[26].

Радиоастрономия

Радиоастрономия — область астрономии, которая изучает объекты в космосе с использованием радиоволн вместо видимого света. Эта наука позволяет исследовать далекие галактики, чёрные дыры, звёзды и другие космические объекты, которые не всегда видны с помощью оптических телескопов. Учёные, занимающиеся радиоастрономией, могут изучать электромагнитные излучения, анализировать структуру Вселенной и исследовать различные космические явления, такие как взрывы сверхновых звёзд или активные ядра галактик[27].

Гамма-астрономия

Гамма-астрономия изучает космические объекты и явления с использованием высокоэнергетических гамма-лучей, позволяя учёным понять физические процессы в космосе, структуру и эволюцию Вселенной, исследуя чёрные дыры, пульсары, гамма-всплески и активные ядра галактик[28].

Любительская астрономия

Любители астрономии играют значительную роль в этой области, так как они проводят большую часть наблюдений и часто создают свое собственное оборудование. Большинство из них изучают Луну, планетызвёзды и объекты в дальнем космосе, но некоторые специализируются на конкретных объектах или событиях. Некоторые также экспериментируют с использованием инфракрасных фильтров или радиотелескопов для изучения других длин волн. Астрономы-любители внесли значительный вклад в эту область, включая наблюдения за покрытиями астероидов, открытие комет и переменных звёзд[29].

Старейшие астрономические общества мира

Награды в области астрономии

Медали
Премии

Основоположники астрономии

Астрономия в искусстве

  • В нумизматике
  • 25 евро, 2009

    25 евро, 2009

  • 2 рубля Банка России, астроном, геодезист В.Я. Струве, к 225-летию со дня рождения (15.04.1793)

    2 рубля Банка России, астроном, геодезист В.Я. Струве, к 225-летию со дня рождения (15.04.1793)

  • Памятная монета России. Галилео Галилей, 2014

    Памятная монета России. Галилео Галилей, 2014

  • Монета Казахстана, 2006

    Монета Казахстана, 2006

  • Солнечная система. Памятная монета Белоруссии, 2012

    Солнечная система. Памятная монета Белоруссии, 2012

  • В фалеристике
  • Астрономическая Европа, 2009

    Астрономическая Европа, 2009

  • Коперник, 1973

    Коперник, 1973

  • 1982

    1982

  • Марка Армении, 2009

    Марка Армении, 2009

  • Марка Азербайджана, 2009

    Марка Азербайджана, 2009

  • Марка СССР Мухаммед Тарагай Улугбек (1987, ЦФА №5876).

    Марка СССР Мухаммед Тарагай Улугбек (1987, ЦФА №5876).

Примечания

  1. ↑ 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 1,13 1,14 1,15 1,16 1,17 Астрономия / Большая советская энциклопедия // Глав. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 2: Ангола-Барзас. — 1970. — 631 с
  2. ↑ 2,00 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 2,09 2,10 2,11 2,12 2,13 2,14 2,15 2,16 2,17 Астрономия / Большая Российская энциклопедия // научно-редакционный совет: председатель — Ю. С. Осипов и др. — Москва : Большая Российская энциклопедия, Т. 2: Анкилоз — Банка. — науч.-ред. совет: пред.- Ю. С. Осипов [и др.]. — 2005. — 766 с. — ISBN 5-85270-320-6
  3. ↑ 3,00 3,01 3,02 3,03 3,04 3,05 3,06 3,07 3,08 3,09 3,10 3,11 3,12 3,13 3,14 История астрономии / Пер. с англ. Н. И. Невской, свер. с голланд. изд. ; Под ред. проф. Б. В. Кукаркина и доц. П. Г. Куликовского. — Москва : Наука, 1966. — 592 с
  4. ↑ Николай Коперник. 1473—1543 / И. Н. Веселовский, Ю. А. Белый. — Москва : Наука, 1974. — 454 с
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 Еремеева А. И. Астрономическая картина мира и её творцы. — М.: Наука, 1984.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 Кононович Э. В., Мороз В. И. Общий курс Астрономии / Под ред. Иванова В. В.. — 2-е изд. — М.: Едиториал УРСС, 2004. — 544 с. — (Классический университетский учебник). — ISBN 5-354-00866-2.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Астрономия на основе наблюдений / Люсьен Рюдо ; Пер. с фр. С. А. Шорыгина. — Москва ; Ленинград : ОНТИ. Глав. ред. общетехн. лит-ры и номографии, 1935. — Переплет. — 273 с.
  8. ↑ Гладун А.Д. Об одной возможной интерпретации нейтрино // Исследовано в России. — 2002. — № 5. — С. 126.
  9. ↑ Стожков Ю.И, Базилевская Г.А. Космические лучи в атмосфере Земля // Вестник Московского университета. — 2010. — № 4. — С. 5—11..
  10. ↑ Ишкулов Э.Р., Сиротин И.В., Прянишников Н.А. Гравитационные волны // Форум молодых ученых.. — 2019. — № 5(33). — С. 654—657.
  11. ↑ Экспериментальные методы исследования в астрономии / [Н. А. Васильев и др.] ; Российский гос. пед. ун-т им. А. И. Герцена. — Санкт-Петербург : Изд-во РГПУ, 2011. — 266 с. — ISBN 978-5-8064-1590-6
  12. ↑ Сюняев Р.А. Физика Космоса. маленькая энциклопедия. — Москва: Советская энциклопедия, 1986. — С. 783.
  13. ↑ Шоломицкий Г. Б. Инфракрасная астрономия // Физика Космоса. — 1986. — С. 7.
  14. ↑ Курильчик В. Н. Радиоастрономия. — 26.05.2024.
  15. ↑ Галактическая и внегалактическая астрономия / Отв. ред. канд. физ.-мат. наук И. С. Щербина-Самойлова. — Москва : [б. и.], 1977. — 156 с
  16. ↑ Основы теоретической астрономии / Проф. д-р техн. наук М. К. Вентцель. — Москва : Геодезиздат, 1962. — 211 с
  17. ↑ А. Н. Петров. Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор. — Век 2, 26.05.2024, 2013. — С. 12. — 320 с. — ISBN ISBN 978-5-85099-190-6.
  18. ↑ 18,0 18,1 Введение в теоретическую астрономию. — Москва : Наука, 1968. — 800 с
  19. ↑ Колбасина И.В., Границкий Л.В. Определение элементов орбит на примере астероида 101 (Helena) по оригинальному наблюдательному материалу // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. — 2011. — № 7. — С. 141—142.
  20. ↑ 20,0 20,1 Идлис Г. М. Революции в астрономии, физике и космологии. — М., 1985. — 232 с
  21. ↑ Горбунова В.В. Монахова А.С. ТЕОРИЯ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА КАК НАЧАЛО ЖИЗНИ // Вестник науки. — 2022. — № 2 (47). — С. 16—20.
  22. ↑ Чернин А. Д. Космология: Большой взрыв. — Век 2, 2006. — 64 с. — 2500 экз. — ISBN 5-85099-150-6.
  23. ↑ Стефан Григорьевич Паняк, Сергей Антонович Дегтярев. Астероиды, кометы и метеориты – продукты взрыва планеты Фаэтон // Известия Уральского государственного горного университета. — 2019. — № 1 (53). — С. . 88-95.
  24. ↑ Маров М. Я. Планеты Солнечной системы. — М.: Наука, 1986
  25. ↑ Сергеев М. Б. Введение в геологию: Происхождение Земли и Солнечной системы. — М. : Российское геологическое общество, 2005. — 320 с
  26. ↑ Вронский С. А. Классическая астрология. Том 1. Введение в астрлогию. — М.: Издательство ВШКА, 2003. — 192 с. — ISBN 5-900504-99-X
  27. ↑ Радиоастрономия / Курильчик В. Н. // Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р. А. Сюняев (Гл. ред.) и др. — 2-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1986. — С. 533—541. — 783 с. — 70 000 экз.
  28. ↑ Гамма-астрономия / О. Ф. Прилуцкий // Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р. А. Сюняев (Гл. ред.) и др. — 2-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1986. — С. 203—206. — 70 000 экз.
  29. ↑ Справочник любителя астрономии / П. Г. Куликовский; Под ред. В. Г. Сурдина. — 5. изд., перераб. и полностью обновл. — Москва : УРСС, 2002. — 687 с. — ISBN 5-8360-0303-3
  30. ↑ Луцкий В. К. История астрономических общественных организаций в России. — М.: Наука, 1982.
  31. ↑ Executive Committee | IAU. Дата обращения: 18 июля 2024.
  32. ↑ Saladyga, Michael. The "Pre-Embryonic" State of the AAVSO: Amateur Observers of Variable Stars in the United States From 1875 to 1911 (англ.) // The Journal of the American Association of Variable Star Observers : journal. — 1999. — October (vol. 27, no. 2). — P. 154—170. — Bibcode: 1999JAVSO..27..154S. (англ.)
  33. ↑ Официальный сайт общества. Дата обращения: 18 июля 2024.
  34. ↑ Официальный сайт Королевского астрономического общества. Дата обращения: 18 июля 2024.
  35. ↑ Официальный сайт SAF. Дата обращения: 18 июля 2024.
  36. ↑ Polskie Towarzystwo Astronomiczne — O nas. Дата обращения: 18 июля 2024. (польск.)

Литература

  • Астрономия / Большая Российская энциклопедия // научно-редакционный совет: председатель — Ю. С. Осипов и др. — Москва : Большая Российская энциклопедия, Т. 2: Анкилоз — Банка. — науч.-ред. совет: пред.- Ю. С. Осипов [и др.]. — 2005. — 766 с. — ISBN 5-85270-320-6
  • Астрономия / Большая советская энциклопедия // Глав. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 2: Ангола-Барзас. — 1970. — 631 с.
  • Астрономия для «чайников» = Astronomy For Dummies. — М.: «Диалектика», 2006. — С. 256. — ISBN 0-7645-5155-8.
  • Повитухин Б. Г. Астрометрия. Небесная механика: Учебное пособие. — Бийск: НИЦ БиГПИ, 1999. — 90 с.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Астрономия&oldid=1030708