Методы наблюдений за вселенной

Методы изучения Вселенной

Современная наука значительно расширила возможности по­знания Вселенной, существенно увеличилась и техническая осна­щенность, что позволяет комплексно изучать космическое про­странство.

Изучение метеоритов. Метеориты являются вели­колепным материалом для изучения Вселенной, так как по их составу можно судить об ее веществе. Исследование метеоритов показало, что они состоят из тех же самых элементов, что и Земля. Этот факт служит ярким подтверждением единства материи во Вселенной.

Изучение метеоритов раздвигает границы наших познаний о внутреннем строении Земли, поскольку они являются обломками разных частей космических тел. Метеориты несут весьма ценную» информацию об истории возникновения планет Солнечной системы. По данным ядерной хронологии, их возраст, равный примерно 4,5—4,6 млрд. лет, почти совпадает с возрастом Земли.

Изучение космического пространства с помощью телескопов и радиотелескопов. Мощные телескопы дают возможность фотографировать космиче-

ские тела и отдельные участки неба, в комплексе с различными приборами позволяют определять светимость, температуру, рельеф космических тел и т. п. С помощью телескопов изучают спектры светил, их изменение, а по характеру спектра делают вы­воды о движении космических тел, химическом составе их вещества, типе реакций, протекающих на них. Значительно расширило возможности познания Вселенной применение радиотелескопов.

Изучение космического пространства с помощью искусственных спутников, кос­мических станций и кораблей. Начало этому виду изучения космического пространства было положено 4 ок­тября 1957 г., когда в Советском Союзе впервые в мире на около­земную орбиту был выведен искусственный спутник Земли. 12 ап­реля 1961 г. гражданин Советского Союза Ю. Гагарин первым совершил космический полет вокруг Земли на пилотируемом ко­рабле «Восток». Еще через несколько лет советский космонавт А. Леонов впервые вышел в открытый космос.

В Советском Союзе впервые в мировой практике были успешно осуществлены полет автоматического космического аппарата «Луна-16» на другое небесное тело и возвращение его на Землю. Долгое время на Луне работал автоматический аппарат «Луно­ход-1», который позволил установить общий тип пород, слага­ющих поверхность лунного моря, исследовать характер распро­страненности мелких кратеров и камней. В результате успешной работы автоматической станции «Луна-20» решена задача взятия грунта из труднодоступного материкового района Луны.

С помощью советских автоматических станций получены цен­ные сведения об атмосфере Венеры. Впервые осуществлена мягкая посадка космического аппарата на поверхность Марса, а станции «Марс-2» и «Марс-3» стали искусственными спутниками Марса. За время полета по орбитам они передали большой объем ин­формации о физических особенностях планеты и окружающего ее космического пространства.

Особо ценную информацию дал лунный грунт, доставленный на Землю советскими автоматическими станциями и американ­скими космонавтами. Материал поверхности Луны несет на себе отпечатки как первичных процессов, приведших к образованию материнских горных пород, так и последующих воздействий, многие из которых отсутствуют на поверхности Земли. Однако вследствие своих особенностей Луна во многих отношениях ока­залась «законсервированной» в течение длительного геологиче­ского времени, поэтому можно ожидать, что на Луне найдут отра­жение процессы, сходные с процессами, происходившими на ран­них этапах формирования Земли.

Новой страницей в изучении Космоса и Земли явились бес­примерные исследования советских космонавтов на космических станциях типа «Салют». Фотографирование различных районов нашей страны с помощью многофокусных аппаратов позволило

внести коррективы в тектоническое районирование, наметить перспективные участки для поисков полезных ископаемых, из­учить с помощью снимков характер созревания хлебов, сохран­ность лесонасаждений и т. п. Наши космонавты проводили иссле­дования по выращиванию кристаллов, характеризующихся уни­кальными свойствами; проводили эксперименты по пайке мате­риалов, не поддающихся этому процессу в земных условиях; вели наблюдения за жизнедеятельностью организмов в условиях невесомости; осуществляли с помощью специальных аппаратов астрономические наблюдения и т. п. Стыковка с «Салютом-6» транспортных кораблей, дозаправка его двигателей и своевремен­ная коррекция орбиты позволили создать на орбите прототип космической станции по изучению Космоса.

Гипотеза образования планет Солнечной системы

С давних пор проблема образования Земли и Солнечной си­стемы в целом привлекала к себе внимание выдающихся ученых. Решением ее занимались И. Кант, П. Лаплас, Д. Джине, совет­ские ученые —- академики О. Ю. Шмидт, В. Г. Фесенков, А. П. Ви­ноградов и др. Предложенные ими гипотезы отражали достигну­тый к тому времени уровень знаний, однако окончательного реше­ния этой проблемы не получено до сих пор. В свете современных научных достижений гипотеза образования Солнечной системы сводится к следующему.

В пределах нашей Галактики, вблизи ее экваториальной пло­скости, располагался неоднородный газо-пылевой диск, состо­ящий из медленно вращающихся газо-пылевых облаков. В состав облаков входили преимущественно атомы водорода, за счет уве­личения плотности которых и могло происходить их образование. Плотность атомов водорода в таком облаке достигает 1000 атом/см 3 , что в 10 000 раз превышает их плотность в нормальном межзвезд­ном пространстве Галактики. Наряду с водородом в состав облака могли входить углерод, азот, кислород, микронные пылевидные частицы. Внутри облаков происходит хаотическое, турбулентное движение вещества.

С увеличением размера и плотности облако под действием сил тяготения начинает сжиматься. Гравитационное сжатие почти всей массы первично холодного облака (—220 °С) ведет к уплот­нению его до состояния Протосолнца. В центре последнего стано­вятся возможными термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением в виде взрыва огромного количества энергии и веще­ства. По мнению акад. А. П. Виноградова, из выброшенного около 5,5 млрд. лет назад взрывами вещества вокруг Протосолнца образовалось горячее плазменное облако (протопланетное облако). На первом этапе формирования планет происходило охлаждение протопланетного облака, потеря газов в космическое пространство и конденсация части его вещества в твердые частицы. Первыми конденсировались наиболее тугоплавкие химические элементы: 10

вольфрам, титан, молибден, платина и др., а также их окислы. Таким образом, раскаленное газовое вещество вновь превращалось в холодное газо-пылевое облако. Протопланетное облако с тече­нием времени теряло энергию в результате столкновения «пыли­нок». Происходило его уплощение, движение вещества в нем упорядочивалось, становилось близким к круговому. Постепенно вокруг молодого Солнца в результате конденсации пылевидного вещества образовался широкий кольцеобразный диск, который распадался на отдельные холодные кучности вещества — рои твердых частиц газа. Они взаимодействовали друг с другом, смешивались, соударялись, сращивались, подвергаясь косми­ческому облучению. Происходило образование отдельных фаз вещества, главным образом силикатов, железо-никелевого метал­лического сплава, сульфидов и т. п. В результате агломерации этих фаз возникли каменные и другие метеориты. Этот же процесс стяжения холодного вещества протопланетного облака привел к образованию и протопланет Солнечной системы около 5 млрд. лет назад, Сформировавшись как геологическое тело, Протоземля еще не стала планетой. Она являлась холодным скоплением космического вещества, однако именно с этого времени начинается ее догеологическая эволюция.

Под влиянием таких факторов, как удары метеоритных тел, гравитационное уплотнение и выделение тепла радиоактивными элементами, начался разогрев верхних частей Протоземли. Сна­чала плавилось железо, затем силикаты. Это привело к возникно­вению здесь пояса жидкого железа. Вследствие дифференциации вещества более легкий силикатный материал должен был всплыть наверх, а тяжелый металл сконцентрироваться в центре планеты. Вязкие, преимущественно силикатные массы образовали первич­ную мантию Земли, а металлические массы — ее ядро. Так, по-ви­димому, около 4,6 млрд. лет назад сформировалась планета Земля.

Внутренние планеты, расположенные ближе к Солнцу, обра­зовались путем конденсации высокотемпературной фракции, бога­той железом. Чем дальше от Солнца, тем меньше у планет содер­жание металлического материала. Так, Меркурий на 2 /₃ состоит из металлического железа, а Марс — на ‘/₄. В астероидальном кольце формировались преимущественно хондритовые астероиды, в которых возрастало содержание низкотемпературной фракции. И, наконец, главной составной частью внешних планет являются газы, почти целиком состоящие из неразделенного солнечного вещества.

Источник

Исследование Вселенной

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ

ВСЕЛЕННАЯ

Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении и эволюции. Вселенная – это непростая совокупность небесных тел, в ней постоянно происходят сложные физические процессы. Этим изучение Вселенной представляет большой интерес для современного естествознания. В космосе можно изучать такие состояния и изменения материи, которые недостижимы на Земле. Космология основывается на физике, математике и философии. Часть Вселенной, охваченной астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой. Радиус космического горизонта составляет 15 – 20 млрд. световых лет.

Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами (звезды) и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований – гигантских облаков пыли и газа (газо – пылевых туманностей).

Все пространство Вселенной представляет собой физический вакуум, вмещающий весь материальный мир и определяющий его существование на основе взаимодействия полей: слабого, сильного, гравитационного и электромагнитного. Именно они управляют движением и эволюцией материального мира, являются источниками энергии, движения, рождения и смерти объектов материального мира.

Пространство пронизано движением и существованием различных физических полей, которые определяют сущность существования материи. Во Вселенной не ничего, кроме пространства и времени, восклицали наши предки. Во Вселенной нет ничего, кроме физического вакуума, полей и материи, объединенных движением, говорит современная физика.

Исследование Вселенной

Звезды изучает астрономия (от греч. «astron» — звезда и «nomos» — закон) – наука о строении и развитии космических тел и их систем. Основным методом астрономических исследований являются наблюдения. В результате наблюдений ученые получают свыше 90 % информации о космических процессах, явлениях и объектах. Огромные расстояния обусловливают единственно возможный способ изучения Вселенной, состоящий в регистрации излучений. При этом следует учитывать, что регистрируемый в данный момент времени на Земле сигнал является характеристикой процесса, который шел в источнике излучений несколько лет или десятков и даже сотен лет назад.

В настоящее время ученые научились фиксировать следующие типы излучений:

— свет – излучение в оптическом диапазоне, воспринимаемые глазом человека, длина волны около 10 -7 м;

— инфракрасное излучение с длиной волны от 10 -6 м до 1 см;

— микроволновое излучение (от 1 см до 1 м);

— радиоволны (от 1 м и более);

В зависимости от характера исследуемого излучения астрономию стали подразделять на оптическую и радиоастрономию, инфракрасную, ультрафиолетовую, рентгеновскую и гамма – астрономию. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.

Первая особенность астрономических наблюдений состоит в том, что наблюдения пассивны и иногда требуют очень длительных сроков. Мы не можем активно влиять на небесные тела и проводить эксперименты с ними. Лишь космонавтика дала в этом отношении некоторые возможности. Вторая особенность астрономических исследований состоит в том, что мы наблюдаем положение небесных тел и их движения с Земли, которая сама находится в сложном движении. Вид неба для земного наблюдателя зависит и от того, в каком месте Земли он находится, и в какое время он наблюдает. Например, когда у нас зимний день, в южной Америке летняя ночь, и наоборот.

Третья особенность астрономических наблюдений состоит в том, что при наблюдениях во многих случаях мы производим угловые измерения и ниже из них делаем выводы о линейных расстояниях и размерах тел, Все светила так далеки от нас, что ни на глаз, ни в телескоп нельзя решить, какое из них ближе, какое дальше. Все они кажутся одинаково далекими. Мы говорим, что на небе две звезды близки друг к другу, если близки друг к другу направления, по которым мы их видим.

Единицы измерений в астрономии

Поскольку в природе ничто не может двигаться быстрее скорости света, мы можем утверждать, что размеры Вселенной не превосходят 2 С∙Т, где С – скорость света, а Т – возраст Вселенной. Следовательно, верхнюю границу размеров Вселенной мы можем оценить, как 2∙ 3∙ 10 8 ∙15 ∙10 9 ∙365 ∙24 ∙60 ∙60 = 5,2 ∙10 26 м. Эта цифра настолько большая, что ее трудно осознать. Для астрономических измерений метр не очень подходящая мера длины.

В астрономии удобнее расстояния измерять в световых годах. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за астрономический год, мы можем рассчитать это расстояние в метрах: 1 световой год = 3·10 8 ∙ 365 ∙24 ∙60 ∙60 = 9,46 ∙10 15 м.

Еще одной удобной для астрономии единицей является величина, называемая парсек. За счет движения Земли вокруг Солнца звезда, наблюдаемая с Земли, в разные времена видна под различными углами. Видимое изменение положения небесного светила вследствие перемещения наблюдателя называется параллаксом. Различают параллакс, обусловленный вращением Земли (суточный параллакс), обращением Земли вокруг Солнца (годичный параллакс) и движением Солнечной системы в Галактике (вековой параллакс). Парсек – (сокр. от параллакс и секунда) – астрономическая единица измерения звездных расстояний, равная 3,26 световых лет. Самым дальним объектом, открытым на сегодняшний день, является квазар на расстоянии 8 млрд. световых лет от нас. Если учесть, что радиус Вселенной не более чем 15 млрд. световых лет, то не так уж много осталось, чтобы увидеть саму границу.

В Солнечной системе основной единицей измерения служит астрономическая единица. Это среднее расстояние от Земли до Солнца, принятое за 150 млн. км.

Астрофизика

Раздел астрономии, изучающей физическое состояние и химический состав небесных тел и их систем, межзвездной и межгалактических сред, а также происходящие в них процессы называется астрофизикой. Основные разделы астрофизики включают: физику планет и их спутников, физику Солнца, звездных атмосфер, межзвездной среды, теорию внутреннего строения звезд и их эволюцию. В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика основывается главным образом на наблюдениях, Но во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах отличается от доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т.д.). Благодаря этому астрофизические наблюдения приводят к открытию новых физических закономерностей.

Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной – состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии.

Релятивистская астрофизика изучает на основе общей теории относительности (теории тяготения А. Эйнштейна) объекты сверхплотного образования во Вселенной.

Методы астрофизики исследования Вселенной

Метод оптический–изучение Вселенной при помощи телескопа, который является главным инструментом астрономических исследований (приложение 7). Наибольшее количество сведений о космических процессах приносит свет. Телескоп – это устройство для собирания света с помощью объектива: двояковыпуклой линзы или вогнутого зеркала. Оптические телескопы делятся на три типа: рефрактор (объектив – большая линза), рефлектор (объектив – вогнутое зеркало), зеркально – линзовый телескоп. В этих телескопах используют в качестве объектива как линзы, так и зеркала, за счет чего их оптическое устройство позволяет достичь великолепного качества изображения с высоким разрешением, при том, что вся конструкция состоит из очень портативных коротких оптических труб. Основная цель телескопа собрать как можно больше света от небесного объекта. Свет через трубу телескопа собирается объективом, Полученное с помощью телескопа изображение небесного тела фиксируется на фотопластинке. Физика подарила исследователям Вселенной такой метод изучения световых лучей, как спектральный анализ. Если пропускать луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на свои составные цвета и на экране появляется радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного до фиолетового – непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый – наиболее отклоняемыми. Телескоп снабжают специальным устройством спектрографом. Он не только разлагает свет на составные части, но и фиксирует спектр на фотопластинке. Расшифровкой спектра, полученного от космического объекта, занимается физика. Расшифровка спектра помогает: а) Изучить химический состав космического объекта. Каждому химическому элементу соответствуют определенные спектральные линии. Например, в спектре паров натрия можно обнаружить близкорасположенные желтые линии, в спектре паров калия – фиолетовую и желтую линии. б) Определить температуру источников излучения, т.к. красный цвет соответствует низкой температуре (у звезд, 3 – 4 тыс. градусов по Цельсию), желтый – зеленый – средней ( у звезд, 5 – 6 тыс. градусов по Цельсию), бело – голубой – высокой (у звезд, 10 – 11 тыс. градусов по Цельсию). в) Измерить скорость космического объекта согласно эффекту Доплера – зависимость измеряемой длины волны от взаимного движения наблюдателя и источника волн, если космический объект приближается к нам, то в его спектре спектральные линии смещаются к фиолетовому концу, в противоположном случае к красному (приложение 12).

Метод изучения космического радиоизлучения при помощи радиотелескопа.Долгое время астрономы могли исследовать космические объекты только по видимому излучению. Это было серьезным ограничением, так как видимый свет составляет небольшую часть спектра. Видимый свет соответствует интервалу длины волны от 4000 Ǻ (1 Ǻ = 10 -10 м) у фиолетовой границы до 7200 Ǻ – у красной. Свет, длина волны которого выходит за эти пределы не воспринимается нашим зрением. За фиолетовой областью видимого спектра идут ультрафиолетовое, рентгеновское и очень коротковолновое всепроникающее g – излучение. За красной границей спектра находится инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение, длина волн которого может превосходить километры. В начале 30 –х годов XX столетия при изучении шумов, мешающих радиосвязи, был открыт источник небольших радиопомех, расположенный в направлении центра нашей Галактики. В основном источниками радиоволн являются космические объекты, находящиеся за пределами Солнечной системы. Радиоволны по сравнению со световыми лучами проходят там, где видимый свет пробиться не может. Вся информация о самых удаленных областях Вселенной целиком получена из радионаблюдений. Главными источниками космических радиопередач в большинстве случаев являются такие объекты, в которых протекают бурные физические процессы. Именно они представляют наибольший интерес для изучения развития Вселенной и форм космической материи. Радиоволны излучает и межзвездное пространство, а именно находящийся в нем ионизированный горячий газ. Нагрев и ионизацию газа (преимущественно водорода) вызывают горячие звезды и космические лучи. Другой источник радиоизлучения – нейтральный водород, которого в межзвездном пространстве значительно больше, чем ионизированного. Исследователи Вселенной умеют сегодня не только улавливать и переводить на доступный человеку язык информацию космических радиосигналов. Они научились также «прощупывать» с помощью радиолуча, направленного с Земли, поверхность небесных тел и принимать отраженные от них сигналы. Изучение космического «радиоэха» позволяет: измерять расстояние до небесных тел, определять скорость их движения и по характеру отражения радиоволн изучать поверхность космического объекта. Ученые осуществили радиолокацию ближайших планет, Луны и Солнца.

Метод нейтринной астрофизики.Источником энергии Солнца являются термоядерные реакции. В ходе этих реакций рождается нейтрино. Одна из отличительных особенностей нейтрино состоит в том, что эта частица чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом. Длина свободного пробега нейтрино в веществе колоссальна. Пронизывая толщу солнечного вещества, они вылетают наружу в космическое пространство, и определенная их часть достигает поверхности Земли. Регистрируя солнечное нейтрино с помощью специальных устройств, (нейтринных телескопов) и вычисляя величину их потока, можно судить о характере физических процессов, протекающих в недрах Солнца.

Методы внеатмосферной астрономии.Внеатмосферное наблюдение – современное направление физики космоса, которое исследует космические объекты при помощи аппаратуры, вынесенной для устранения атмосферных помех за пределы земной атмосферы. Внеатмосферная астрономия дает возможность устранить дрожание изображения в телескопах, вызванное атмосферными неоднородностями, и довести пространственное разрешение оптического телескопа до его теоретически возможного (дифракционного) значения. Современная внеатмосферная астрономия вносит в астрофизику вклад вполне соизмеримый с вкладами оптической и радиоастрономии.

Методы инфракрасной, ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма – астрономии. В целях изучения инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и g – излучения созданы ИК – телескопы, УФ – телескопы, рентгеновские и g – телескопы. Благодаря установке особой аппаратуры на ракеты и спутники Земли оказалось возможным фиксировать эти виды излучений.

Космические лучи удается наблюдать по следам, оставляемым в специальных ловушках (например, пластинках с ядерной эмульсией). Космические лучи представляют собой элементарные частицы (электроны, протоны, ядра углерода, железа), которые движутся так быстро, что проникают через любые тела, включая Землю в целом.

Космонавтика

Ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма – лучи – не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука – космонавтика (от греч. «наутике» — искусство кораблевождения). Космонавтикаобеспечивает освоение космоса для нужд человечества с использованием летательных аппаратов. Космонавтика изучает проблемы: теории космических полетов – расчеты траекторий и т.д.; научно-технические – конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления полетами, служб телеметрии, организации и снабжения орбитальных станций и др.; медико-биологические – создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.

История космонавтики начинается с теоретических расчетов выхода человека в неземное пространство, которые дал К. Э. Циолковский (1857 — 1935) в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 году. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 году.

Основными вехами в истории космонавтики стали запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года, первый полет Ю.А. Гагарина в космос 12 апреля 1961 года, лунная экспедиция в 1969 году, создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования. Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, которое задерживается атмосферой Земли, способствует существенному прогрессу в области астрофизики.

Космические скорости – скорости, употребляемые в астрономии и динамике космических полетов. Различают три типа скоростей:

Первая космическая скорость – скорость, которую необходимо придать объекту, чтобы он стал искусственным спутником Земли (около 7,9 км/с);

Вторая космическая скорость – скорость, которую необходимо сообщить телу, чтобы оно могло преодолеть земное притяжение, но не вышло из пределов Солнечной системы (около 11,2 км/с);

Третья космическая скорость, при которой тело покидает Солнечную систему – около 16 км/с.

Контрольные вопросы:

1. Что представляет собой Вселенная?

2. Что изучает наука космология?

3. Что входит в состав Метагалактики?

4. Чем представлена материя во Вселенной?

5. Что изучает астрономия?

6. Какие типы излучений в настоящее время научились фиксировать ученые?

7. На какие разделы делится астрономия?

8. В чем состоят особенности астрономических наблюдений?

9. Какие единицы измерений Вселенной существуют в астрономии?

10. Что такое световой год?

11. Что такое парсек?

12. Чему равна астрономическая единица?

13. Что изучает астрофизика?

14. В чем отличие физики от астрофизики?

15. Опишите оптический метод исследования Вселенной.

16. В чем заключается метод спектрального анализа?

17. В чем заключается метод изучения космического радиоизлучения?

18. В чем заключается метод нейтринной астрофизики?

19. В чем заключаются методы внеатмосферной астрономии?

20. в чем заключаются методы инфракрасной, ультрафиолетовой, рентгеновской астрономии и гамма – астрономии?

21. Что изучает космонавтика?

22. Какие типы космических скоростей существуют?

Источник