Н.П. Пришляк. АСТРОНОМИЯ. 11 кл. Учебник для
advertisement
о ИССЛ . ь овани И3учив ::tтот параrраф, мы: узнаем, как астрономы исследуют природу космических тел; познакомимся с устройством современных телескопов, при помощи ко­ торых можно путешествовать не только в пространстве, но и во времени; увидим, как можно зарегистрировать невидимые для 0 глаза лучи . Что и3учает астрофи3ика? Между физикой и астрофизикой есть много общего - эти на­ уки изучают законы мира, в котором мы живем. Но между ними есть и одна существенная разница - физики могут проверить свои теоретические расчеты при помощи соответствующих экспериментов, в то время как астрономы в большинстве случаев такой возможно­ сти не имеют, так как изучают природу далеких космических объектов по их излучениям. В этом параграфе мы Астрофизик~ изучает строение космических рассмотрим основные методы, при помощи которых астрономы собирают информацию о событиях в дальнем космосе. Оказы­ тел, физические усло­ вается, что основным источником такой . информа­ вия на поверхности ·ции являются электромагнитные волны и элемен­ и внутри тел, химиче­ ский состав, источни­ тарные частицы, которые излучают космические тела, а также гравитационные и электромагнитные поля, ки энергии и т. д. при помощи которых эти тела между собой взаимодействуют. Наблюдение за объектами Вселенной осуществляется в специаль­ ных астрономических обсерваториях. При этом астрономы имеют опре­ деленное преимущества перед физиками цессами, которые происходили - миллионы они могут наблюдать за про­ или миллиарды лет назад. Для любо3нательных Астрофизические эксперименты в космосе все же происходят - их осуществ­ ляет сама природа, а астрономы наблюдают за теми процессами, которые происхо­ дят в далеких мирах, и анализируют полученные результаты . Мы наблюдаем опре­ деленные явления во времени и видим такое далекое прошлое Вселенно~, когда еще не только не существовала наша цивилизация, но даже не было Солнечной си­ стемы . То есть астрофизические методы изучения дальнего космоса фактически не отличаются от экспериментов, которые проводят физики на поверхности Земли . К то­ му же при помощи АМС астрономы проводят настоящие физические эксперименты как на 46 поверхности других космических тел , так и в межпланетном пространстве . §6. МЕТОДЫ АСТРОФИ3ИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ g Черное тело Как известно из курса физики, атомы могут излучать или погло­ щать энергию электромагнитных волн различной частоты - от этого зависит яркость и цвет того или иного тела. Для расчетов интенсивно­ сти излучения вводится понятие черного тела, которое может идеаль­ но поглощать и излучать электромагнитные колебания в диапазоне всех длин волн (непрерывный спектр). Звезды излучают электромагнитные волны раз­ ной длины 'А , Черное тело погло- в зависимости от температуры поверх­ щает всю энергию, ности больше энергии приходится на определенную часть спектра 'Amax (рис. нообразные (см. § 13). цвета 6.1). звезд от которая падает на его Этим объясняются раз­ красного до поверхность, и всю голубого энергию переизлуча­ Используя законы излучения черного тела, ет в окружающее про- которые открыли физики на Земле, астрономы из- странство, но в дру~ меряют гой части спектра (рис. температуру 6 .2). далеких При температуре космических Т= 300 светил К черное тело излучает энергию преимущественно в инфракрасной части спектра, которая не воспринимается невооруженным гла­ зом. При низких температурах такое тело в состоянии термодина­ мического равновесия имеет действительно черный цвет. Гидроген 500 400 700 600 Длина волны Л., нм Рис. 6.1. Спектр излучения звезды с температурой Т= 5800 К. Впадины на графике соот­ ветствуют темным линиям поглощения, которые образуют отдельные химические элементы Для любо3нательных В природе абсолютно черных тел не существует,- даже черная сажа погло­ щает не более но черное 99% электромагнитных волн. С другой стороны , если бы абсолют­ тело только поглощало электромагнитные волны, то со временем температура такого тела стала бы бесконечно большой. Поэтому черное тело излучает энергию, причем поглощение и излучение могут происходить в разных частотах. Однако при некоюрой температуре устанавливается равновесие между излучаемой и поглощенной энергией . В зависимости от равновесной температу­ ры цвет абсолютно черного тела не обязательно будет черным - например, са­ жа в печи при высокой температуре имеет красный или даже белый цвет. 47 §6. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Т= 12000 К т= 5800 к т= 3000 к Amax"' 1000 НМ 1 0:: ...s а. Q) :z: m о 500 1000 1500 Длина волны Л, нм Рис. 6.2. Распределение энергии в спектре излучения звезд. Цвет звезд определяет тем­ пературу поверхности Т: у голубых звезд температура 12 000 К, у красных - 3000 К. При увеличении температуры на поверхности звезды уменьшается длина волны "-max , соответствующая максимуму энергии излучения D Астрономические наблюдения невооруженным rnазом Глаз человека является уникальным органом чувств, при по­ мощи которого мы получаем более 90 % информации об окружаю­ щем мире. Оптические харак~еристики глаза определяются разреше­ нием и чувствительностью. Разрешающая способность глаза, или острота зрепия,- это способность различать объекты определенных угловых размеров. Установлено, что разрешающая способность глаза человека не пре­ вышает 1' (одна минута дуги; рис. 6.3). Это означает, что мы можем видеть отдельно две звездьi (или две буквы в тексте книги), если угол между ними а> 1' но светило, , а если а < 1' , то эти звезды сливаются в од­ поэтому различить их невозможно. Мы различаем диски Луны и Солнца, потому что угол, под ко­ торым виден диаметр этих светил (угловой диаметр), около время как угловые диаметры планет и звезд меньше 48 1' , 30', в то поэтому эти §б. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ светиланевооруженным глазом видны, как яркие точки. С планеты Нептун диск СолN­ ца будет выглядеть для космонавтов яркой звездой. Чувствительн.ость глаза определяет­ ся порогом восприятия отдельных квантов света. Самую большую чувствительность глаз имеет в желто-зеленой части спектра, и мы можем реагировать на 7-10 квантов, которые попадают на сетчатку за 0,3 за 0,2- с. В астрономии чувствительность гла­ можно мых определить при звездных величин, помощи види~ характеризующих яркость небесных светил (см. § 13). Для nюбо3натеnьных Чувствительность глаза зависит и от ди­ аметра зрачка - в темноте зрачки расширяют­ ся, а днем сужаются . Перед астрономическими наблюдениями надо 5 мин посидеть в темноте, тогда чувствительность глаза увеличится . Телескопы Рис. К сожалению , большинство космиче­ 6.3. Мы различаем диск Луны, потому что его угловой диаметр в то время как кратеры ских объектов мы не можем наблюдать не - ным ·вооруженным угловой диаметр меньше глазом, потому что его воз­ можности ограничены. Телескопы (греч. tele - далеко, skopos - глазом не видны , 30' , невооружен ~ потому что 1' . их Острота зрения опр еделяется углом а ;;;, 1' видеть) позволяют нам увидеть далекие небесные светила или зарегистрировать их с по­ мощью других приемниковэлектромагнитного излучения - фотоаппа­ рата, вид еокамеры. По конструкции телескопы можно разделить на три группы: рефракторы, или линзовые телеск опы (рис. refractus - преломление), ре флекторы , или зеркальные 6.5) (лат. reflectio - отбиваю), и зеркал ьн.о-лин.зовые (рис. 6.4) (лат. телескопы телескопы. Предположим, что на бесконечности находится небесное свети­ ло, которое невооруженным глазом видно под углом а 1 • Собирающая линза, которую называют объективом, строит изображение светила в фокальной плоскости на расстоянии объектива (рис. 6.4). F от В фокальной плоско­ Рефрактор - телегкоп. в котором сти устанавливают фотопластинку, _видеока­ для получения изобрi!жения игполь - меру или другой приемник изображения. зуют лин з ы Для визуальных наблюдений используют короткофокусную линзу - лупу, которую Рефлектор -:- тел ескоп , в котором для получения изображения исполь­ зуют зеркало называют окуляром. 49 §б. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Ув еличение телескопа определяет­ Свет от 3Ве3ды ся так: (6.1) где- а 2 угол зрения на выходе окуляра; а угол зрения, под которым 1 видно невооруже;нным глазом; F, светило f- фо­ кусные расстояния соответственно объек­ тива и окуляра. Разрешающая сnособность телеско­ па зависит от диаметра объектива, поэто­ му при одинаковом увеличении более чет­ кое изображение дает телескоп с большим диаметром объектива. Кроме того телескоп увеличивает ви­ димую яркость светил, которая будет во столько раз больше той, что воспринима­ ется невооруженным глазом, во сколько площадь объектива больше площади зрач­ Рис. 6.4. Схема линзового телескопа ка глаза. Запомните! В телескоп нельзя смотреть на Солнце, поскольку его яркость (рефрактора) будет такой большой, что вы можете по­ терять зрение. Для любо3нательных Для определения различных физических характеристик космических тел (двvо..кения, тем­ пературы , химического состава и т. д .) необхо­ димо проводить спектральные наб[lюдения, то есть надо чение измерять, энергии в как распределяется излу­ различных участках спектра . Для этого создан ряд дополнительных устройств и приборов (спектрографы , телевизионные ка ­ меры и пр .), которые совокупно с телескопом дают возможность отдельно выделять и иссле­ довать излучение участков спектра . Школьные телескопы имеют объекти­ вы с фокусным расстоянием 80-100 см, и набор окуляров с фокусными расстояни­ ями 1-6 см. То есть увеличение школьных телескопов по формуле разным (от Параболическое 3еркало Рис. 6.5. Схема зеркального телескопа (рефлектора) 50 15 до 100 (6 .1) может быть раз) в зависимости от фокусного расстояния окуляра, применяе­ мого во время наблюдений . В современных астрономических обсерваториях установле- §б. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ны телескопы, имеющие объективы с фокусным расстоянием более 10 м, поэтому увеличение этих оптических приборов может превышать 1000. Но во время наблюдений такие большие увеличения не приме­ няют, так как неоднородности земной атмосферы (ветры, загрязнен­ ность пылью) значительно ухудшают качество изображения. 11 Электронные приборы Электронные приборы, использующиеся для регистрации излучения космических светил, существенно увеличивают разрешение и чувствитель­ ность телескопов. К таким приборам относятся фотоумпожитель и электроппо-оптические преоб­ разователи, действие которых основано на явлении внешнего фотоэффекта. В конце ХХ в. для получе­ Рис. б.б. Матрица ПЗС ния изображе.ния начали применять приборы зарядавой связи (ПЗС), в которых используется явление внутреннего фотоэффекта. Они состо­ ят из очень маленьких кремниевых элементов (пикселей), располо­ женных на небольшой площади. Матрицы ПЗС используют не только в астрономии, но и в домашних телекамерах и фотоаппаратах - так называемые цифровые системы для получения изображения (рис . 6.6). К тому же, ПЗС более эффективны, чем фотопленки, потому что реги­ стрируют 75 % фотонов, в то время как пленка - лишь 5%. Таким образом, ПЗС значительно увеличивают чувствительность приемников электромагнитного излучения и позволяют регистрировать космические объекты в десятки раз более слабые, чем при фотографированиИ. Радиотелескопы Для регистрации электромагнитного излучения в радиодиапазо­ не (длина волны от 1 мм и более - рис. 6. 7) созданы радиотелеско­ пы, которые принимают радиоволны с Помощью специальных антенн и передают их в приемник. В радиоприемнике космические сигналы обрабатываются и регистрируются специальными приборами. Существуют два типа радиотелескопов - рефлекторные и радио­ р~шетки. Принцип действия рефлекторного радиотелескопа такой же, как телескопа-рефлектора (рис. 6.5), только зеркало для сбора электро­ магнитных волн изготавливается из металла. Часто это зеркало имеет форму параболоида обращения. Чем больше диам'етр такой параболи­ ческой <<тарелкИ>>, тем выше разрешение и чувствительность радиоте­ лескопа. Самый большой в Украине радиотелескоп РТ-70 имеет диа­ метр 70 м (рис. 6.8). Радио-решетки состоят из большого количества отдельных антенн, расположенных на поверхности Земли в определенном по­ рядке. Если смотреть сверху, то большое количество таких антенн 51 §б. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ~------------~-----------Увеличение энергии--------------------------- Увеличение длины волны 0,0001 0,01 нм у-лучи 400 Рис. 6.7. нм 10 нм 1000 0,01 нм Рентгеновские УФ- Инфракрасные лучи лучи лучи нм 500 нм 600 см 1 СМ 1м 100 м Радиоволны нм 700 нм Шкала электромагнитных волн н апоминает букву << Т •> • Крупне й ший в мире радио­ т ел ескоп т акого тип а УТР-2 находится в Харьков­ ской области (рис. ~ 6.9). · Для любознательных Принциn интерференции электромагнитных волн позволяет объединить радиотелескоnы, расположенные на расстоянии деся т­ ков тысяч километров , что увеличивает и х разрешение до это в сотни Рис. 6.8. Радиотеl)ескоп РТ- 70 н аходится в Кры­ м у возл е Евпатории Рис. в 6.9. Круnнейший м ире радиоте лескоп УТР-2 (у краинский Т- образный радиотеле­ скоп ; раз м еры 1800 52 м х 900 м) раз 0,0001 " - превос х одит во з можности оnтических телескопов . §6. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 11 Изучение Вселенной с помощью космических аппаратов С началом космической эры наступает новый этап изучения Вселенной с помощью ИСЗ и АМС. Космические методы имеют су­ щественное преимущества перед наземными наблюде­ ниями, так как значительная часть электромагнитно­ го излучения звезд и планет задерживается в земной атмосфере. С ОДIJОЙ стороны, это поглощение спасает живые организмы от смертельного излучения в уль­ трафиолетовой и рентгеновской областях спектра , но - ограничивает поток информации от све­ 1990 г. в США был создан уникальный кос­ мический телескоп Хаббла с диаметром зеркала 2,4 м (рис. 6.10). В наше время в космосе функционирует с другой тил. В много ·обсерваторий, которые регистрируют и анализируют излучения всех до гамма-лучей (рис. диапазонов - от радиоволн 6. 7). Рис. 6.10. Космический телескоп Хаббла находится за пределами ат­ мосферы, поэтому его Большой вклад в изучение Вселенной сделали разрешение в 1О раз, украинские ученые. При их участии были созданы пер­ а чувствительно ст ь вые КА, которые начали исследовать не только около­ в земное пространство, но и другие планеты. Автомати- возможности ческие межпланетные станции серии <<Луна>>, << Марс >>, 50 раз превосходят наземных телескопов <<Венера >> передали на Землю изображения других планет с таким разрешением, которо~ в тысячи раз превосходит возможности наземных телескопов. Впервые человечество увидело панорамы чужих миров. На этих АМС была установлена аппаратура для проведения непосредс·rвен­ ных физических, химических и биологических экспериментов. РИс. 6.11. А с троно ­ мическая о б серва ­ тория 53 §6. МЕТОДЫ АСТРОФИ3ИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Для любознательных Во времена Киевской Руси астрономические наблюдения проводили мона­ хи . В летописях они рассказывали о необычных небесных явлениях - затмениях Солнца и Луны, появлении комет или новых звезд. С изобретением телескопа для наблюдений за небесными светилами начали строить специальные астрономиче­ ские обсерватории (рис. 6.11 ). Первыми астрономическими обсерваториями Евро­ пы считают Парижекую во Франции (1 667 г.), и Гринвичскую в Англии (1 675 Г.). Сейчас астрономические обсерватории работают на всех материках, и их общее количество превосходит торий 400. В Украине работают семь астрономических обсерва­ - и два астро­ в Киеве (две), Крыму, Львове, Николаеве, Одессе, Полтаве - номических института в Харькове. Рис. 6.12. Первый украинский спутник «Сiч-1 » Выводы Астрономия с оптической науки превратилась во всеволновую, потому что основным источником информации о Вселенной являются электромагнитные волны и элементарные гравитационtjые частицы , которые и электромагнитные поля, излучают при космические помощи тела, а также которых эти тела меж­ ду собой взаимодействуют. Современные телескопы позволяют получать инфор­ мациЮ о далеких мирах, и мы можем наблюдать события, которые происходили миллиарды лет назад. То есть с помощью современных астрономических прибо ­ ров мы можем путешествовать не только в пространстве, но и во времени . 54 §б. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Тесты 1. Телескоп - это такой оптический прибор, который: А. Приближает к нам космические тела. Б. Увеличивает космические свети­ ла. В. Увеличивает угловой диаметр светила. Г. Приближает нас к планете . д. Принимает радиоволны . 2. Почему крупные астрономические обсерватории строят в горах? А. Чтобы приблизиться к планетам. Б. В горах большая продолжительность ночи. В. В горах меньше облачность . Г. В горах более прозрачный воздух. д. Чтобы увеличить световые помехи. 3. Может ли черное тело быть белого ц.вета? А. Не может. Б. Может, если покрасить его белой краской ~ В. Может, если температура тела приближается к абсолютному нулю. Г. Может, если темпе­ ратура тела ниже 0 ° С. Д. Может, если температура тела выше 4. 6000 К. В какой из этих телескопов можно увидеть наибольшее количество звезд? А. В рефлектор с диаметром объектива 5 м. Б. В рефрактор с диаметром 1 м . В. В радиотелескоп с диаметром 20 м ; Г. В телескоп с увели­ чением 1000 и с диаметром объектива 3 м. Д. В телескоп с диаметром объ­ ектива 3 м и увеличением 500. объектива s. Какие из этих светил с такой температурой на поверхности не существуют во Вселенной? А. Звезда с температурой 1О 000 о с. Б. Звезда с температурой 1000 К . В. Пла­ нета с температурой -зооос. Г. Комета с температурой О К. д. Планета с тем­ пературой 300 К. б. Чем объясняются разнообразные цвета звезд? 7. 8. Почему в телескоп мы видим больше звезд, чем невооруженным глазом? Почему наблюдения в космосе дают больше информации, чем наземные те­ лескопы? 9. Почему звезды в телескоп видны как яркие точки, а планеты в тот же теле­ скоп - как диск? 1о. На какое наименьшее расстояние надо улететь в космос для того, чтобы космо­ навты невооруженным глазом видели Солнце как яркую звезду в виде точки? 11. Говорят, что некоторые люди имеют такое острое зрение, что даже невоо­ руженным глазом различают крупные кратеры на Луне. Вычислите достовер­ ность этих фактов, если крупнейшие кратеры на Луне имеют диаметр а среднее расстояние до Луны 380000 200 км, км. Диспуты на предложенные темы 12. Сейчас в космосе строится международная космическая станция, на кото­ рой Украина будет иметь космический блок. Какие астрономические прибо­ ры вы могли бы предложить для проведения исследований Вселенной? Задания для наблюдений 13. Телескоп-рефрактор можно изготовить при помощи линзы для очков. Для объектива · можно использовать линзу из очков +1 диоптрии, а в качестве окуляра --: объектив фотоаппарата или другую линзу для очков +1О диоп­ трий . Какие объекты вы сможете наблюдать в такой телескоп? Ключевые понятия и термины: Непрерывный спектр, радиотелескоп, рефлектор, рефрактор, разрешающая спо­ собность глаза, спектр, спектральные наблюдения, телескоп, черное тело. 55