Физические методы исследования астрономических явлений и процессов

Шаги в изучении астрономических явлений

На протяжении многовековой истории изучения в рамках астрономии небесных тел, самой Земли и явлений, происходящих во Вселенной, всегда была непосредственная связь с успехами в исследовании физики различных процессов, построения гипотез и как итогом формулирование теорий и физических законов.

В первичной стадии изучения большая роль отводилась только методам оптического анализа, построения приборов наблюдения, а в дальнейшем — и обсерваторий (на данный момент системы сбора и частичного анализа информации устанавливаются на орбитальные спутники, станцию и другие аппараты космических проектов человечества). Обсерватории чаще всего имеют специализацию на проведении определенных видов астрономических исследований (рис. 2.1). По этой причине они оснащены различными типами телескопов и набором других аналитических приборов, которые предназначены, например, только для установления точного расположения звезд на небе, или для изучения явлений на Солнце, или решения ряда других научных задач^[1].

Рис. 2. 7. Современная обсерватория и телескоп «Хаббл».

Рассмотрим подробнее современные устройства для наблюдений.

Телескопы и другие приборы и устройства для наблюдений

Астролябия. Одним из первичных инструментов для определения времени и расположения Солнца и прочих звезд является астролябия. Данный прибор приобрел наибольшую популярность в навигации, но с помощью нее решались проблемы и в астрономии, и в географии, и в хронометраже, и в геодезии. Астролябия позволяет определить расположение небесных тел в конкретный временной промежуток и в конкретном месте.

Предположительно, дата создания астролябии — 200 г. до н. э., и изобретателем данного механизма считается астроном из Древней Греции Гиппарх. Описание астролябии встречалось во многих работах греческих ученых. При этом есть тексты, описывающие данный прибор, которые находили даже в Индии.

Само устройство астролябии таково, что это плоский диск («тарелка»), на котором размещается ряд пластин («тимпаны»). Каждый такой тимпан отвечает за конкретную широту. На саму «тарелку» наносились часы или градусы (могло быть и то, и другое). После размещалась карта плоскости эклиптики, на которой указывались ярчайшие звезды («паук»). С обратной стороны добавляли разнообразные шкалы для упрощения расчетов. Гравировки всегда были уникальными, некоторые содержали календарь для сопоставления дня месяца с солнечным положением. Также для определения высоты звезд крепилась алидада к задней части (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Астролябия

Первый универсальный механизм астролябии, который можно применить в любой точке планеты, разработан исламским ученым Аз-Заркали. На данный момент существуют различные коллекционные модели астролябий. Наиболее поздней вариацией механизма считается сферическая астролябия, окруженная кольцами.

Оптический телескоп: разновидности и принцип работы. Телескопы также относятся к физическим методам исследования астрономических явлений и процессов. Они представляют собой приборы, с помощью которых можно анализировать электромагнитное излучение в различных диапазонах спектра¹.

Радио-, микроволновые, инфракрасные (ИК-), ультрафиолетовые (УФ-), рентгеновские и гамма-сигналы мы научились получать и исследовать сравнительно недавно — только начиная с середины XX в. Оптические же телескопы появились задолго до этого. Они позволяют рассматривать далекие объекты, излучающие видимый свет на длине волны порядка 400—700 мм^[2][3].

Мощность любого телескопа, а следовательно, и четкость изображения, возрастает с увеличением апертуры — диаметра зеркала (линзы), но только оптические телескопы имеют окуляр — оптическую насадку для глаза наблюдающего. В зависимости от выбранного объекта наблюдений на один и тот же телескоп можно устанавливать окуляры различной силы, тем самым увеличивая или уменьшая изображение. В качестве опоры и устройства наведения используются монтировки различных типов: экваториальные и азимутальные (например, Добсона)^[4]; с автонаведением и без него и др.

Существует три основных типа телескопов (рис. 2.3) в зависимости от устройства их оптических систем (рис. 2.4):

• 1) рефракторы, или линзовые (рис. 2.3, а);
• 2) рефлекторы, или зеркальные (система Ньютона, рис. 2.3, б);
• 3) катадиоптрики, или зеркально-линзовые (системы Шмидта — Кассегрена; Ричи — Кретьена, рис. 2.3, в).

Оптическая система рефлекторов (или зеркальных телескопов) состоит из двух зеркал: главного вогнутого зеркала, установленного на дне трубы и собирающего информацию в виде излучаемого света, и вторичного зеркала, которое отражает полученное изображение в окуляр. Окуляр рефлектора расположен у верхнего края трубы, перпендикулярно главному зеркалу.

Плюсы: 1) относительно недорогая стоимость изготовления; 2) достаточно высокое качество изображения.

Минусы: 1) большие габариты; 2) поскольку вогнутые зеркала имеют свойство переворачивать отражаемое изображение, картинка в окуляре будет перевернутой, если на него предварительно не был установлен специальный корректор. Это, в свою очередь, неизменно повлечет за собой потерю света и негативно скажется на качестве изображения.

Рис. 2.3. Виды любительских телескопов с различными оптическими.

системами:

а — рефрактор; б — рефлектор; в — катадиоптрик.

Рис. 2.4. Устройство оптических систем телескопов.

Рефракторы, в отличие от рефлекторов, не имеют главного зеркала. Здесь изображение собирается с помощью выпуклой линзы, обращенной к небу, а затем с помощью вторичного зеркала отражается в окуляр, расположенный на противоположном конце трубы.

Плюсы: относительная компактность по сравнению с рефлектором.

Минусы: 1) в поле зрения могут возникать так называемые фантомы — ложные изображения; 2) с увеличением апертуры сильно возрастает размер трубы, что затрудняет использование и хранение телескопа.

Катадиоптрики, или зеркально-линзовые телескопы, как ясно из названия, имеют смешанную оптическую систему, состоящую из нескольких линз и зеркал.

Плюсы: 1) многоразовое преломление света с помощью сложной оптической системы позволяет сделать этот вид телескопа наиболее компактным по сравнению с двумя предыдущими; 2) зачастую в комплекте к таким телескопам идет монтировка с автонаведением, что облегчает поиск небесных объектов, а также позволяет заниматься астрофотографией благодаря функции слежения, поскольку любой объект рано или поздно уходит из поля наблюдения.

Минусы: 1) сложность и дороговизна изготовления; 2) возможно возникновение фантомов; 3) длительная адаптация к изменению температур; 4) хрупкость конструкции; 5) частичная потеря света из-за многократного его преломления; 6) монтировки с автонаведением быстро выходят из строя.

• [1] Воронцов-Вельяминов Б. А. Астрономия. 10 класс: учебник. М.: Просвещение, 1983.
• [2] Узнать об истории открытия электромагнитного излучения, его природе, частотеи длине волн, а также скачать красивый и познавательный постер можно здесь: http://elementy.ru/posters/spectrum.
• [3] Диапазоны излучения и вещество: видимое излучение // Элементы большойнауки: некоммерческий научно-популярный проект. URL: http://elementy.ru/posters/spectrum/diapasons#visible.
• [4] Более подробно об отличии экваториальных монтировок от азимутальных можнопрочитать здесь: http://www.astronomy.ru/forum/index.php/topic, 25 418.0.html.