Инструменты для изучения вселенной

Астрономических инструменты

С древнейших времен у человека, исследовавшего и познававшего природу, было два основных способа действия — наблюдение и эксперимент. Однако астрономы на протяжении тысячелетий не могли и мечтать об экспериментах — ведь те объекты, которые их интересовали, находились невероятно далеко и были недостижимы.

Волей-неволей исследователям Вселенной приходилось создавать и совершенствовать все новые средства «дистанционного познания» — различные инструменты, которые позволяли не просто вести наблюдение за небесным телом или явлением, но и определять расстояние, положение на небосклоне, фиксировать размеры объекта, его цвет, силу испускаемого им света и многие другие параметры. Но и этого недостаточно — для того чтобы наблюдения имели научную ценность, они должны быть обработаны и приведены в систему. Поэтому астрономия еще в древности была тесно связана с математикой и физикой, а в наши дни — с теорией относительности и квантовой механикой.

Лицом к лицу с беспредельностью

С началом космической эры астрономия впервые смогла вплотную приблизиться к предмету своей науки — космосу. Исследования околоземного пространства, ближайших тел Солнечной системы и межпланетного пространства, разных явлений за пределами Солнечной системы, поиски внеземных форм жизни — все это стало доступно с помощью пилотируемых космических кораблей, беспилотных космических аппаратов и зондов-роботов. Постоянные наблюдения за Вселенной ведут с околоземных орбит десятки научных спутников, космических телескопов и обсерваторий.

Особенно широкое распространение получили космические зонды — автоматические космические аппараты, предназначенные для прямого изучения самых далеких объектов Солнечной системы и пространства между ними. Они способны пролетать на близком расстоянии от планет, астероидов и комет, фотографировать их поверхность с близкого расстояния, брать пробы атмосферы и грунта, измерять электромагнитные поля, вести сейсмические исследования.

За несколько тысячелетий был пройден путь от простейших угломерных инструментов до космических телескопов и приборов, способных на Земле уловить излучение от спички, зажженной на Луне. Современные астрономы научились наблюдать процессы, происходящие на расстоянии нескольких миллиардов световых лет от Солнечной системы, в недрах звезд и галактик.

«Глаза земли»

Современные оптические телескопы и другие приборы на их основе — спектрографы, солнечные телескопы, астрографы — изменились до неузнаваемости по сравнению с инструментами Галилея и Ньютона.

Зеркальные телескопы нового поколения имеют главные зеркала диаметром 8—10 м и способны самостоятельно устранять помехи, возникающие в атмосфере. Рекордсмены среди этих гигантов по разрешающей способности — 10 метровые телескопы Кек I и Кек II (США), 9,2-метровый телескоп Хобби-Эберли и 8-метровые телескопы Джемини и Субару, телескоп VLT Европейской южной обсерватории, а также находящийся в стадии постройки Большой бинокулярный телескоп LBT в штате Аризона (США).

С помощью современных радиотелескопов можно принимать большинство видов космических излучений, которые возникают в результате различных процессов, происходящих в веществе Вселенной при определенных условиях. Многие из них можно использовать не только в качестве «приемников», но и «передатчиков» мощных сигналов. Посылая импульсы излучения, телескоп улавливает их отражение от небесных тел, что позволяет получать изображения поверхности планет, скрытых плотной атмосферой, и изучать глубины таких «газовых гигантов», как Сатурн и Юпитер. Антенны радиотелескопов используются также для осуществления связи с космическими аппаратами, отправленными в странствия к границам Солнечной системы. С помощью радиотелескопов были открыты такие неизвестные в недалеком прошлом объекты, как нейтронные звезды, квазары, реликтовое излучение Вселенной.

Еще более необычные инструменты познания — инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-телескопы — настолько чувствительны и сложны, что просто не могут работать в земных условиях. Чтобы защитить их от «земных помех» и получить новую важную информацию о глубинах мироздания, эти приборы устанавливают на борту орбитальных астрономических обсерваторий-автоматов.

Крупнейшие астрономические обсерватории мира соревнуются между собой, создавая все более крупные инструменты и наращивая размеры их зеркал. Современный телескоп-рефлектор занимает целое здание, им управляет множество компьютеров. Самый мощный телескоп в Евразии построен в России — он находится на Северном Кавказе близ станицы Зеленчукской. Диаметр его главного зеркала — 6 м. Зеркало имеет массу около 70 т, а процесс его изготовления занял более двух лет. Но «королем» всех астрономических инструментов, расположенных на Земле, сегодня является Большой Канарский телескоп, построенный на Канарских островах по проекту ученых Мексики, Испании и США. Его зеркало имеет диаметр 10,4 м, он способен различать в межзвездном пространстве объекты в миллиард раз более слабые, чем человеческий глаз.

Измеряем космос

Для изучения и измерения космоса человек давно придумал мощнейшие телескопы, некоторые из них он даже вывел в космос, чтобы быть ближе к изучаемым объектам. Однако для измерения космоса у людей есть намного более простые «приборы», которые всегда с собой, — это наши руки. Стоящий в любой точке планеты человек может представить небо в виде сферы с окружностью размером 360 градусов, центром которой является он сам. Если полностью вытянуть руку и расположить пальцы определенным образом, можно измерить в градусах угловое расстояние между двумя небесными объектами: планетами, звездами и пр.

Конечно, измерение руками весьма приблизительно. И вообще, градусы — довольно большая величина для небесных тел. Говоря об их размерах и расстояниях между ними, часто используют минуты и секунды. В одном градусе — 60 минут, а в одной минуте — 60 секунд. К примеру, диаметры самых больших видимых с Земли космических объектов — Луны и Солнца — составляют по половине градуса (30 минут), а диаметр планеты Венера — всего 1 минуту.

Астролябия

Такое название носит один из старейших астрономических инструментов. Его основой служит «тарелка» с подвесным кольцом. Также имеется ось с двумя диоптрическими отверстиями. Установив центральную линию автролябии на уровне горизонта и «прицелившись» через диоптрические отверстия на выбранный объект (Луну, Солнце и др.), можно определить собственные координаты.

Высота над горизонтом

Секстант (от латинского — «шестой») — измерительный инструмент, с помощью которого определяют высоту космических тел над горизонтом. Через подзорную трубу «ловится» линия горизонта. Потом рычаг регулируется до тех пор, пока в эту трубу не «ловится» через систему линз изображение Солнца. Тем самым мы установим рычаг в определенном положении на дугообразной шкале. Цифра этой шкалы, на которой установился рычаг, будет использоваться в дальнейшем для вычисления координат.

Источник

Инструменты для изучения вселенной

Вся история астрономии связана с созданием новых инструментов, позволяющих повысить точность наблюдений, возможность вести исследования небесных светил в диапазонах электромагнитного излучения , недоступных невооруженному человеческому глазу.

Первыми еще в далекой древности появились угломерные инструменты. Самый древний из них — это гномон, вертикальный стержень, отбрасывающий солнечную тень на горизонтальную плоскость. Зная длину гномона и тени, можно определить высоту Солнца над горизонтом.

К старинным угломерным инструментам принадлежат и квадранты. В простейшем варианте квадрант — плоская доска в форме четверти круга, разделенного на градусы. Около центра этого круга вращается подвижная линейка с двумя диоптрами.

Широкое распространение в древней астрономии получили армиллярные сферы — модели небесной сферы с ее важнейшими точками и кругами: полюсами и осью мира, меридианом, горизонтом, небесным экватором и эклиптикой. В конце XVI в. лучшие по точности и изяществу астрономические инструменты изготовлял датский астроном Его армиллярные сферы были приспособлены для измерения как горизонтальных, так и экваториальных координат светил.

Коренной переворот в методах астрономических наблюдений произошел в 1609 г., когда итальянский ученый применил для обозрения неба зрительную трубу и сделал первые телескопические наблюдения. В совершенствовании конструкций телескопов-рефракторов, имеющих линзовые объективы, большие заслуги принадлежат

В XX в. получили распространение зеркально-линзовые телескопы, конструкции которых были разработаны немецким оптиком (1931) и российским оптиком (1941).

В 1974 г. закончилось строительство зеркального телескопа с диаметром зеркала 6 м. Этот телескоп установлен на Кавказе в Специальной астрофизической обсерватории. Возможности этого инструмента огромны. Уже опыт первых наблюдений показал, что этому телескопу доступны объекты 25-й звездной величины, т. е. в миллионы раз более слабые, чем те, которые наблюдал Галилей в свой телескоп.

К числу астрономических инструментов относятся универсальный инструмент и близкий к нему по конструкции теодолит; меридианный круг, используемый для составления точных каталогов положений звезд; пассажный инструмент, служащий для точных определений прохождения звезд через меридиан места наблюдений, что нужно для службы времени.

Для фотографических наблюдений используются астрографы. Для астрофизических исследований нужны телескопы со специальными приспособлениями, предназначенными для спектральных (объективная призма, астроспектрограф), фотометрических (астрофотометр), поляриметрических и других наблюдений. Повысить проницающую силу телескопа удается путем применения в наблюдениях телевизионной техники, а также фотоэлектронных умножителей.

Для наблюдений некоторых астрономиче ских объектов разработаны специальные конструкции инструментов. Таковы солнечный телескоп, коронограф (для наблюдений солнечной короны), кометоискатель, метеорный патруль, спутниковая фотографическая камера (для фотографических наблюдений спутников) и многие другие.

В ходе астрономических наблюдений получают ряды чисел, астрофотографии, спектрограммы и другие материалы, которые для окончательных результатов должны быть подвергнуты лабораторной обработке. Такая обработка ведется с помощью лабораторных измерительных приборов.

Важный прибор, необходимый для наблюдений — астрономические часы.

Существенно обогатила наши представления о Вселенной радиоастрономия, зародившаяся в начале 30-х гг. нашего столетия. В 1943 г. российские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси теоретически обосновали возможность радиолокации Луны. Радиоволны, посланные человеком, достигли Луны и, отразившись от нее, вернулись на Землю. 50-е годы XX в. — период необыкновенно быстрого развития радиоастрономии. Ежегодно радиоволны приносили из космоса новые удивительные сведения о природе небесных тел.

Сегодня радиоастрономия использует самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенны. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаются недосягаемыми для обычных оптических телескопов. Перед человеком раскрылся радиокосмос- картина Вселенной в радиоволнах.

Астрономические инструменты для наблюдений устанавливают на астрономических обсерваториях. Для строительства обсерваторий выбирают места с хорошим астрономическим климатом, где достаточно велико количество ночей с ясным небом, где атмосферные условия благоприятствуют получению хороших изображений небесных светил в телескопах. Как правило, такие места находят в горах.

На вершинах гор воздух чище, спокойнее, и поэтому условия для изучения Вселенной там более благоприятные.

Двадцатый век привнес в работу астрономов совершенно новые возможности

В октябре 1957 года перед астрономами открылись новые горизонты в изучении Вселенной. Первый космический спутник открыл двери в новое информационное измерение. Дело в том, что земная атмосфера является мощным экраном на пути, как фотонов довольно широкой полосы частот, так и других частиц, приходящих из глубин космоса.

Новые же технические возможности, появившиеся с началом космической эры, позволили выводить за пределы воздушной оболочки Земли самые различные типы астрономических приборов — рентгеновские, ультрафиолетовые, гамма — телескопы. Эти инструменты значительно увеличили объем наших знаний о космосе.

Так, например, исследование космических источников в рентгеновском диапазоне начались с выводом соответствующих астрономических инструментов за пределы земной атмосферы. Основная цель рентгеновской астрономии — диагностика горячей плазмы. Исследование горячей космической плазмы в рентгеновском диапазоне позволяет изучать природу взрывных процессов в различных объектах, а также свойства вещества в экстремальных физических состояниях, недостижимых в земных лабораториях

Планомерные космические исследования в рентгеновском диапазоне проводятся с начала 70 — ых годов. На рисунке изображена космическая обсерватория «Гранат», начавшая свою работу в 1989 году. Среди приборов обсерватории, был и рентгеновский телескоп, с помощью которого изучались нейтронные звезды,черные дыры, белые карлики, остатки вспышек сверхновых звезд, межзвездная среда нашей Галактики, молекулярные облака, центр нашей Галактики, внегалактические объекты, фоновое рентгеновское излучение нашей Вселенной.

В 1979 году впервые на орбите начал свою работу радиотелескоп, что открывало возможности по созданию в будущем гигантских космических радиоинтерферометров, базой которых могли быть расстояния в сотни миллионов километров.

Для исследования неба в наиболее энергичной части спектра используют гамма — телескопы, примером которого является прибор, установленный на космической обсерватории «Гамма», запущенной в космос в 1990 году.

Кроме того, земная атмосфера мешает наблюдениям и в оптическом диапазоне, именно по этой причине астрономы всегда стремились разместить свои приборы как можно выше в горах, там воздействие атмосферы несколько ослаблено, и потому наблюдения более успешны. Теперь же стало возможным выводить в открытый космос и оптические телескопы. В 1987 году на орбиту Земли был выведен крупнейший космический прибор — оптический телескоп с диаметром зеркала 2,4 м, названный в честь астронома — Эдвина Хаббла. Наблюдение на этом телескопе дало массу новой информации о строении Вселенной, о природе самых различных космических объектов.

… Но не менее велико значение межпланетных космических станций, призванных подробно изучать объекты Солнечной системы. Аппараты, созданные человеческими руками, побывали на поверхности Луны, Венеры, Марса, некоторых малых телах. Кроме того, космические аппараты пролетали в непосредственной близости от Меркурия, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, кометы Галлея, некоторых других космических тел, передав большое количество интереснейших фотографий и море иной информации.

Среди этих станций нельзя не отметить известные серии «Марс» и «Венера», аппараты этих серий в 60ых — 80ых годах провели широкие исследования одноименных планет, среди американских аппаратов нельзя обойти молчанием серии «Маринер» и «Викинг». На рисунке изображен спускаемый аппарат станции «Венера-14». На поверхности Венеры ему пришлось работать под давлением почти в 100 атмосфер и температурой окружающей углекислоты в 470 градусов С. И при этом передавать информацию на орбитальную часть станции.

В 1972-ом и в 1973-ем годах в дальний космос были запущены соответственно «Пионер-10» и «Пионер-11». Исследовав Юпитер, «Пионер-10» в 1979 году пересек орбиту Урана, а в 1987 году вышел за пределы Солнечной системы, став первым межзвездным кораблем.

В 1977 году были запущены космические аппараты: «Вояджер-1» и «Воялжер-2». «Воялжеру-2» предстояло выполнить самую великую исследовательскую миссию 20ого века. Его путь пролегал через систему Юпитера, которую он пересек в 1979 году, далее в 1981 году он пролетел рядом с Сатурном и продолжил свой путь к более удаленным планетам — в 1986 году его фотокамеры передали человечеству виды Урана и его спутников, а в 1989году люди увидели с относительно близкого расстояния систему Нептуна.

После чего аппарат пересек границы Солнечной системы и отправился в межзвездное путешествие. Связь с ним до сих пор поддерживается с Земли и, предположительно, это будет возможно до 2013 года.

Источник