Астрономия - наука о Вселенной. Она изучает движение и природу Солнца, Луны, планет, звезд, галактик и других небесных тел. Большинство астрономических объектов располагается за пределами Земли, но и саму Землю астрономия изучает как планету. В своей работе астрономы используют методы математики , физики и химии . До 1958 г. астрономия была чисто наблюдательной наукой, изучавшей свои объекты издалека в телескоп. Но с появлением космических аппаратов астрономы получили возможность посылать приборы к планетам и их спутникам, к кометам и астероидам для прямого изучения их атмосферы и поверхности. Так астрономия стала экспериментальной наукой.
Астрономия - одна из древнейших наук. В давние времена люди наблюдали перемещения небесных светил, чтобы измерять время, предсказывать наступление сезонов полевых работ, для ориентировки на суше и на море, для предсказания затмений и для ритуальных целей. До сих пор астрономия применяется для практических целей, таких как измерение времени, навигация, геодезия , причем методы и точность практической астрономии постоянно улучшаются.
Практическими задачами в основном занимаются национальные обсерватории и крупные астрономические институты, такие как Главная астрономическая (Пулковская) обсерватория РАН и Институт прикладной астрономии РАН в Санкт-Петербурге, Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга в Москве, Морская обсерватория США в Вашингтоне, Королевская Гринвичская обсерватория в Кембридже (Англия). Большинство же астрономов на других обсерваториях занято изучением различных объектов Вселенной.
Помимо профессиональных астрономов, работающих на крупных и хорошо оснащенных государственных и университетских обсерваториях, в мире насчитываются сотни любительских обсерваторий, на которых энтузиасты в свободное время проводят самостоятельные наблюдения, нередко имеющие научную ценность. В основном это наблюдения переменных звезд, комет и метеоров, солнечных пятен и вспышек, полярных сияний и серебристых облаков, а также редких явлений на поверхности Луны и планет.
Астрономия и объекты ее исследования
Астрономические исследования можно разделить на четыре важнейших направления: Солнечная система, звезды, межзвездное вещество и галактики.
Исследование Солнечной системы
Солнечная система состоит из звезды, которую мы называем Солнцем, и множества более мелких тел, обращающихся вокруг нее. Среди них 8 больших планет с их естественными спутниками, которых уже известно более 160 (см. Планеты Солнечной системы). Кроме того, вокруг Солнца движутся сотни тысяч малых тел - астероидов и комет, а также метеорные потоки, состоящие из частиц разрушенных астероидов и комет. В порядке удаления от Солнца большие планеты называются Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Первые две называют внутренними планетами, поскольку их орбиты лежат внутри орбиты Земли, а пять более далеких, чем Земля, называют внешними планетами. Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн видны невооруженным глазом и потому были известны в древности; их называли «блуждающими звездами», поскольку они перемещаются на фоне далеких «неподвижных» звезд.
Движения планет помогают специалистам по понять законы взаимодействия тел и проверить фундаментальные физические теории, такие как теория относительности. Высочайшая точность небесной механики служит основой успеха космонавтики: только безошибочные расчеты влияния Солнца и планет на полет космического аппарата позволяет ему точно достигнуть своей цели в любой части Солнечной системы.
Специалисты по Солнцу изучают различные физические явления на его поверхности и в недрах, включая термоядерные реакции и другие высокотемпературные процессы. Они исследуют излучение Солнца и его влияние на земную атмосферу и биосферу . Солнце находится под постоянным наблюдением наземных и космических обсерваторий. Подробное изучение Солнца позволяет многое понять и в природе других звезд, слишком далеких от нас для детального изучения.
В исследовании Луны произошел гигантский прогресс с наступлением космической эры. Неизвестная прежде обратная сторона Луны впервые была сфотографирована советским аппаратом «Луна-3» в 1959 г. Американские аппараты «Рейнджер» в 1964-65 гг. передали изображения поверхности Луны с близкого расстояния, а в 1966-68 гг. на Луну мягко опустились автоматические станции «Луна-9», «Сервейер-5, -6 и -7» и определили прочность и состав ее грунта. В 1969-72 гг. совершили экспедиции на Луну экипажи американских «Аполлонов» и советские автоматические аппараты (1970-76 гг.), доставив на Землю для изучения сотни килограммов лунного грунта. Активные исследования Луны с помощью беспилотных аппаратов возобновились в середине 1990-х: США, Западная Европа, Япония, Китай, Индия в кооперации с учеными других стран, включая Россию, отправили к Луне орбитальные зонды, по данным которых были составлены качественные геологические и минералогические карты поверхности и найдены признаки воды. Теперь астрономам известны детальные физические и химические характеристики лунных пород и их возраст. Лишенная атмосферы и вулканов маленькая Луна за время своей эволюции изменилась гораздо меньше Земли, поэтому она «хранит ключи» ко многим тайнам происхождения Солнечной системы.
Такими же полезными для изучения истории Солнечной системы являются метеориты, возраст которых радиоизотопным методом оценивается в 4,5 млрд лет. Кометы тоже образовались в период молодости Солнечной системы и несут в себе ее первичное вещество. Астрономы уже проводят прямое изучение комет с помощью космических аппаратов; к тому же, некоторую информацию о них дают и метеоры, образующиеся при сгорании в атмосфере Земли мелких частиц, потерянных кометами при их сближении с Солнцем.
Исследования звезд
Древние люди считали звезды неподвижно прикрепленными с огромной небесной сфере, окружающей Землю и вращающейся вокруг нее. Характерным группам ярких звезд - созвездиям, они давали названия бытовых предметов, мифических героев и животных. Астрономы установили, что звезды - это гигантские газовые шары, подобные Солнцу. Они сияют постоянно, но днем не видны из-за яркого солнечного света, рассеянного в земной атмосфере.
Звезды различаются по своему расстоянию от Земли, по массе, светимости (т. е. мощности излучения), температуре, химическому составу, возрасту и скорости движения. Но как бы быстро они ни двигались, из-за большой удаленности звезды кажутся нам почти неподвижными и представляют почти идеальную систему отсчета, относительно которой удобно изучать движение тел Солнечной системы.
Расстояния до ближайших звезд измеряют методом триангуляции, используя в качестве базы диаметр орбиты Земли; а расстояния до далеких звезд определяют путем сравнения их видимой яркости с истинной светимостью, которую можно оценить по виду спектра звезды. Наблюдая спектры звезд, можно заметить, что у некоторых звезд спектральные линии периодически смещаются или раздваиваются. Это означает, что в действительности звезда двойная и линии смещаются из-за эффекта Доплера, связанного с движением звезд вокруг общего центра масс. Не менее половины всех звезд двойные. У некоторых близких звезд удалось выявить таким методом присутствие совсем небольших спутников, по массе близких к планетам (это так называемые коричневые карлики) и даже равных планетам (их называют экзопланетами). А раз помимо Солнечной системы существуют и другие планетные системы, то почему бы на тех планетах не быть жизни, в том числе и разумной? Для проверки этой идеи радиоастрономы уже более полувека пытаются принять сигналы разумных существ с планет у ближайших звезд и сами посылают такие сигналы в космос.
На каждой из звезд происходят грандиозные физические процессы, которые пока невозможно воспроизвести на Земле. При этом каждая звезда отделена от нас не только пространством, но и временем, необходимом свету, чтобы достичь Земли. Поэтому перед астрономами разворачивается панорама космических событий, уходящих в глубины прошлого на миллионы и даже миллиарды лет.
Исследование межзвездного вещества
Пространство между звездами не совсем пустое: оно заполнено разреженным газом и пылью. Особенно много межзвездного вещества в диске Галактики, а ее спиральных рукавах. В некоторых местах это вещество сконцентрировано в облака, которые могут светиться, если рядом находится горячая звезда; пример - известная Туманность Ориона, которую можно заметить невооруженным глазом чуть ниже Пояса Ориона. В наиболее массивных и холодных облаках вещество сжимается под действием собственной гравитации и из него формируются новые звезды. Эти облака столь плотны, что не пропускают свет звезд; заглянуть в их недра можно только с помощью инфракрасных и радиотелескопов. Прослеживая радиоизлучение межзвездного газа, астрономы узнали расположение спиральных рукавов нашей Галактики.
Исследование галактик
За пределами нашей Галактики существует великое множество других галактик. В ближайших из них с помощью крупных телескопов можно изучать отдельные звезды. По всем параметрам эти звезды очень похожи на те, что окружают нас, хотя сами галактики чрезвычайно разнообразны по форме, размеру и массе. Доплеровское смещение линий в спектрах галактик показывает, что они удаляются от нас, причем тем быстрее, чем дальше расположены.
С помощью радиотелескопов изучается межзвездный газ в далеких галактиках и высокоэнергичные частицы, движущиеся в их магнитных полях. Большой интерес у астрономов вызывают галактики с активными ядрами, особенно квазары, расположенные в ядрах массивных галактик. Источник их колоссальной энергии до сих пор вызывает споры.
Заря астрономии
Древняя астрономия
Необходимость в простых правилах, связывающих между собой исчисление времени по луне и солнцу, стимулировала развитие научной астрономии вавилонскими жрецами в последние три века до нашей эры. На основе своих наблюдений они составили детальные таблицы (эфемериды) для предсказания важнейших явлений солнца, луны и планет. Они приняли, что эти светила движутся по кругу, позже названному греками Зодиаком, и разделили его на 12 равных «знаков». Вавилоняне представляли мир как земляной диск на твердом основании, окруженный океанским рвом; а ниже была бездна и жилище смерти.
Греческая астрономия
Традиция научной астрономии восходит к древним грекам, объединившим наблюдения вавилонских звездочетов с естествознанием и . Пифагор (6 в. до н.э.) и его школа представляли Землю в виде сферы и учили, что пути небесных светил можно представить как равномерное круговое движение вокруг Земли. Это учение, математически оформленное Евдоксом Книдским (4 в. до н.э.), было развито Аристотелем (384-322 до н.э.) в космологическую систему, просуществовавшую почти без изменений вплоть до 16-го века.
В противовес этим взглядам Гераклид Понтийский (4 в. до н.э.) считал, что Земля вращается вокруг оси, а Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца, которое само движется вокруг Земли. Еще ближе к современной гелиоцентрической системе мира подошел Аристарх Самосский (3 в. до н.э.), учивший, что Земли вместе с другими планетами обращается вокруг Солнца. Геоцентрическая система, разработанная в период эллинизма Гиппархом (2 в. до н.э.), была завершена Птолемеем (2 в.) в его «Альмагесте». Этот классический труд служил основным пособием по астрономии в течение 1400 лет. В нем содержится старейший звездный каталог, описаны угломерные инструменты той эпохи и открытая Гиппархом прецессия, изложена эпициклическая теория движения Луны и планет, употреблявшаяся вплоть до 17-го столетия. Согласно этой теории планеты равномерно обращаются по окружностям (эпициклам), центры которых, в свою очередь, обращаются вокруг Земли по окружностям большего диаметра (деферентам), причем плоскости тех и других не совпадают. Теория Птолемея позволила с хорошей точностью описать не только видимые пути планет на фоне звезд, но и вариации их яркости, связанные с изменением расстояния от Земли. Дальнейшее уточнение этой схемы потребовало введения дополнительных эпициклов и смещения точек вращения (эквантов) относительно центров окружностей. Таблицы движения светил, вычисленные по теории Птолемея, долгие годы удовлетворяли практические потребности людей.
Исламский период
После распада древней культуры путь греческой науки в христианский мир Средневековья пролег через исламскую цивилизацию. Арабы впитали традиции эллинизма на землях, захваченных ими в 7-ом веке. Багдад стал центром перевода на арабский греческой научной классики, включая «Альмагест» Птолемея. Затем через Каир эти труды достигли мусульманских университетов Испании. Сохранив основные принципы греческой астрономии, арабские ученые развили технику наблюдений и повысили точность вычисления планетных таблиц. В 12-м веке труды Аристотеля и Птолемея (в переводе с арабского на латинский) вновь стали доступны выходящему из застоя христианскому миру, а в 15-м веке обнаружились и греческие тексты классических трудов. Иоганн Мюллер (1436-1476) из Нюрнберга, известный как Региомонтан, возродил технику астрономических наблюдений.
Рождение современной астрономии
Система Коперника
Современную эру в астрономии открыл Николай Коперник (1473-1543), опубликовавший в 1543 свой труд «О вращениях небесных сфер». Он предположил, что в центре Вселенной находится Солнце, а все планеты, включая Землю, обращаются вокруг него. Суточное движение светил Коперник объяснял вращением Земли. Хотя физических доказательств этой гипотезы в то время еще не было, она существенно упрощала расчет планетных таблиц и была принята в практической астрономии. Но церковь отнеслась к ней недоброжелательно, опасаясь разрушения своей геоцентрической картины мира.
Для составления планетных таблиц, необходимых, прежде всего, мореплавателям, требовались непрерывные и точные наблюдения. Большой вклад в это внес выдающийся астроном 16-го века Тихо Браге (1546-1601). Более 20 лет в своей обсерватории на острове Вен в Зундском проливе он измерял положения Луны и планет, используя инструменты собственной конструкции. Он открыл два неравенства в движении Луны - вариацию и годичное уравнение. Как доказал позже Ньютон , причиной вариации служит притяжение Солнца, действующее по-разному на Землю и Луну из-за регулярного изменения их относительного расстояния от Солнца вследствие движения Луны по орбите. А причиной годичного уравнения (т. е. годичной периодичности в неправильностях движения Луны) служит орбитальное движение Земли, изменяющее расстояние системы Земля-Луна от Солнца.
Точными измерениями Тихо доказал, что вспыхнувшая в 1572 г. в созвездии Кассиопеи звезда (теперь мы знаем, что это был взрыв сверхновой звезды, породивший Крабовидную туманность), находится далеко за пределом атмосферы Земли. Наблюдая кометы в 1577 г. и позже, он доказал, что и они не возникают в земной атмосфере, а движутся за орбитой Луны. Эти открытия разрушили схоластический тезис о неизменности небес и привели к отказу от космологии Аристотеля.
Законы Кеплера
Наблюдения Тихо Браге, обработанные после его смерти Иоганном Кеплером (1571-1630), способствовали триумфу учения Коперника. Более того, Кеплер представил движение планет в совершенно новом свете. Он нашел, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце; что радиус-вектор, соединяющий планету с Солнцем, за равные промежутки времени заметает равные площади; и что квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам их средних расстояний от Солнца. Публикация трех законов планетных движений Кеплера (1609-1619) и рассчитанные им по этим законам планетные таблицы (1627) значительно укрепили теорию Коперника. Однако попытки Кеплера дать физическое объяснение своим законам на основе механики Аристотеля оказались безуспешными.
Революция в механике началась, благодаря великому современнику Кеплера итальянцу Галилео Галилею (1564-1642). Путем экспериментов он доказал, что не требуется прикладывать силу для поддержания равномерного и прямолинейного движения тела. Этот принцип инерции стал первым законом механики Ньютона, объяснившей движение планет. В 1610 г. Галилей усовершенствовал изобретенную незадолго до этого подзорную трубу и первым применил ее в астрономии. В свой телескоп он открыл горы на Луне, четыре крупнейших спутника Юпитера, фазы у Венеры, пятна на Солнце. Он увидел, что Млечный Путь состоит из отдельных звезд и обнаружил загадочные «придатки» у Сатурна (как позже выяснилось - кольцо). Эти открытия окончательно разрушили традиционной представление о Вселенной в пользу теории Коперника.
Вероятно, Рене Декарт в 1644 г. первым ясно сформулировал принцип инерции, Роберт Гук в 1666 приложил его к теории движения планет, а Исаак Ньютон (1642-1727) в своих «Математических началах натуральной философии» (1687) утвердил его как закон движения. Ньютон доказал, что движение Луны вокруг Земли подчиняется силе тяжести, убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния. Идея о всемирном тяготении помогла объяснить эллиптические орбиты планет и прецессию земной оси.
Современная астрономия
В конце 19-го века астрономия преобразилась благодаря изобретению фотографии, позволившей объективно документировать небесные явления для их неоднократного дальнейшего изучения. Вторым важным изобретением стал спектроскоп. В 1672 г. Ньютон описал получение спектра солнечного света. Около 1814 г. Йозеф Фраунгофер открыл, что полоса спектра пересечена множеством темных линий. К середине 19-го века поняли, что раскаленные пары любого вещества дают характерный спектр из ярких линий. В 1848 Леон Фуко заметил, что пламя с натрием, помещенное перед электрической дугой, поглощает желтую часть ее излучения. Совпадение линий излучения и поглощения для многих элементов было доказано Густавом Кирхгофом после 1859 г. Он понял, что горячее ядро Солнца покрыто более холодной атмосферой, создающей в спектре фраунгоферовы линии поглощения. Основанный на этом анализ содержания химических элементов в атмосферах Солнца и звезд был развит Уильямом Хёггинсом (1824-1910).
Начатая Хёггинсом классификация звезд по их спектрам была развита Пьетро Анджело Секки (1818-1878), Германом Карлом Фогелем (1841-1907) и в колоссальной работе гарвардских астрономов под руководством Эдуарда Чарлза Пикеринга (1846-1919). Используя эффект смещения линий в спектре движущегося источника, открытый Доплером в 1842 г., Фогель в 1892 г., а затем Хёггинс стали измерять скорости приближения и удаления звезд.
Солнце
В 1843 Генрих Швабе сообщил, что количество пятен на Солнце изменяется с 11- летней периодичностью. Вскоре обнаружили сопутствующие этому изменения в геомагнитных явлениях. Начиная с 1866 Норман Локьер (1836-1920) стал использовать спектроскоп для изучения Солнца. Изобретенный Джорджем Хейлом (1890) и Анри Деландром (1891) спектрогелиограф дал возможность фотографировать Солнце в линии одного химического элемента; это позволило изучать распределение элементов и структуру пятен и протуберанцев.
Калориметрические измерения Джона Гершеля (1792-1871), Клода Пуйе (1791-1868) и Чарлза Аббота (1872-1973) позволили определить «солнечную постоянную» - поток солнечной энергии на единицу поверхности Земли, и, зная расстояние до Солнца, вычислить его полную светимость. На основании закона Йозефа Стефана (1879) о связи температуры тела с его излучением было найдено, что температура поверхности Солнца около 6000 °С. В 1848 г. Юлиус Роберт Майер предположил, что источником энергии Солнца служит падение на него метеоритов, а Герман Гельмгольц в 1854 г. привлек для этого сжатие Солнца. Но в 1939 г. Ганс Бете и Карл Вейцзеккер показали, что источником излучения Солнца служат термоядерные процессы в его недрах. Это позволило построить теорию внутреннего строения и эволюции звезд, надежно подтвержденную астрономическими наблюдениями (1960-80 гг.) и измерениями нейтринного потока от Солнца (1968-2002 гг.). В последние годы строение Солнца успешно изучают методами гелиосейсмологии, регистрируя флуктуации солнечной поверхности, вызванные выходом из недр звуковых волн.
Планеты
За всю эпоху астрономических наблюдений в Солнечной системе были открыты лишь две большие планеты - Уран и Нептун. Вильям Гершель (1738-1822) случайно обнаружил Уран 13 марта 1781 г., заметив диск планеты. Дальнейшие наблюдения Урана указали на возмущения в его движении, которые были приписаны влиянию более далекой планеты. Урбен Леверье (1811-1877) вычислил положение этой гипотетической планеты и по его указанию она была открыта 23 сентября 1846 г. в Берлинской обсерватории Иоганном Галле. Ее назвали Нептуном.
В ходе поисков планеты за Нептуном Клайд Томбо на Ловелловской обсерватории в 1930 г. нашел Плутон, который в 20 веке тоже считали планетой. Однако после 2004 г. на периферии Солнечной системы было обнаружено несколько тел подобных Плутону, и все они были в 2006 г. выделены в особую группу планет-карликов. В нее же вошел и крупнейший астероид Церера. Детальное изучение планет, астероидов и комет сейчас ведется с борта автоматических аппаратов, но массовое обнаружение объектов Солнечной системы (открыто уже более 500 тыс.) и наблюдение за их движением осуществляется с помощью наземных телескопов.
Звезды
Изучая небо в конце 18-го века, Вильям Гершель обнаружил двойные звезды, т. е. пары звезд, обращающихся под действием взаимного притяжения вокруг общего центра массы. Расстояния до звезд были впервые измерены в 1835-1839 гг., когда В. Я. Струве , Ф. Бессель и Т. Хендерсон определили параллаксы ближайших звезд.
Взамен распространенному в 19-м веке взгляду, что звезды только остывают в процессе эволюции, Джозеф Норман Локьер (1836-1920) предположил на основе «метеоритной гипотезы» небесных тел (1888), что в процессе аккумуляции и сжатия звезды разогреваются, достигают максимальной температуры и лишь затем начинают остывать. Эту идею в 1913 г. поддержал Генри Н. Рассел, обнаруживший, что холодные красные звезды составляют два класса с совершенно разной светимостью. Это же деление красных звезд на гигантов и карликов независимо открыл Эйнар Герцшпрунг (1873-1967). На основе современной физики теория внутреннего строения звезд начала развиваться с 1916 г. трудами Артура Эддингтона (1882-1944), Джеймса Джинса (1877-1946) и Эдуарда Милна (1896-1950). Мощный импульс эта теория получила с появлением компьютеров в середине 1950-х. Но и сейчас ее нельзя назвать завершенной, поскольку наблюдаемые явления в жизни звезд чрезвычайно разнообразны и не все из них находят объяснение.
Галактики
Томас Райт в 1750 г. и Вильям Гершель в 1784 г. объяснили явление Млечного Пути как наблюдаемую нами гигантскую совокупность звезд, сосредоточенных в плоском слое, вблизи средней плоскости которого находится Солнце. Гершель начал подсчеты звезд для изучения формы Галактики, а продолживший эти статистические исследования Якобус Корнелиус Каптейн (1851-1922) открыл в 1904 г. «звездные потоки», указавшие на вращение Галактики. Харлоу Шепли (1885-1972) определил положение центра Галактики и оценил ее размер по распределению в пространстве шаровых звездных скоплений.
Гершель подозревал, что некоторые туманности являются далекими звездными системами, подобными Галактике. Однако Хёггинс обнаружил в спектрах многих туманностей яркие линии, указывающие на их газовую природу. Противоречие разрешилось в первой половине 20-го века, когда выяснилось, что существуют как газовые межзвездные туманности, принадлежащие нашей Галактике, так и далекие звездные системы, - галактики, изучение и классификацию которых выполнил Эдвин Хаббл (1889-1953). Он показал, что практически все галактики удаляются от нас со скоростями, пропорциональными расстоянию до них (закон Хаббла) и таким образом открыл «расширение Вселенной». Факт горячего начала процесса расширения - Большого взрыва - подтвердился открытием реликтового излучения (1965 г.). Измерение расстояний до далеких галактик показало в 1998 г., что в последние миллиарды лет расширение Вселенной происходит с ускорением; причина этого «антигравитационного» эффекта пока не ясна.
Астрономические инструменты и приборы
К астрономическим инструментам можно отнести те инструменты, приборы, приспособления, которые прямо предназначены только для проведения измерений или других исследований астрономических явлений и астрономических объектов. Более универсальные инструменты и приборы, также часто применяемые в астрономических наблюдениях (так обычно называются исследования астрономических объектов, чтобы подчеркнуть пассивную роль исследователя в этом процессе), например, компьютер, как правило, не относят к астрономическим инструментам.
Развитие астрономических инструментов тесно связано с развитием астрономии как науки. Известны случаи, когда новая технология, воплощенная в астрономических приборах, предъявляя новые факты, давала значимый толчок новым идеям в астрономии. Также бывало и наоборот, новые астрономические идеи создавали потребность в разработке технологически новых инструментов и приборов, которые смогли бы предоставить необходимые данные об астрономических объектах.
Астрономические наблюдения начались гораздо раньше, чем появились первые астрономические инструменты, так для определения линии север-юг или высоты Солнца использовались любые ориентиры на местности или подходящие предметы и сооружения. Но постепенно требования к точности проведения астрономических измерений привели к созданию специальных установок. Самым древним астрономическим инструментом считается гномон - вертикальный шест известной длины с неким подобием шкалы, нанесенной на выровненной площадке у основания. Затем появились армиллярные сферы, квадранты, сектанты и прочие инструменты, предназначенные для определения абсолютного или взаимного положения астрономических объектов, видных невооруженным глазом. Соответственно, и содержание астрономических наблюдений сводилось к определению положения небесных светил и закономерностей в их движениях. Повышение точности измерений осуществлялось главным образом за счет увеличения размеров этих инструментов и за счет повышения точности различного вида часов.
Ситуация кардинальным образом начала меняться после появления телескопа - оптического прибора, собирающего свет с большей площади, нежели это делает глаз человека, и преобразующий направление прихода света так, что маленькое различие в направлениях становится большим и легко обнаруживаемым (Оптические телескопы). Эти две основных функции стали определяющим для понятия телескоп, и в настоящее время этим термином называются инструменты, работающие в других спектральных диапазонах электромагнитного излучения (например гамма-телескоп, радиотелескоп), а также применяемые для регистрации различных частиц (нейтринный телескоп).
Сильно изменившись, телескоп является основным астрономическим инструментом и прибором. С точки зрения оптической конструкции телескопы подразделяются на зеркальные, линзовые и зеркально-линзовые. Тип телескопа определяется исходя их особенностей его назначения. В свою очередь, зеркальные телескопы подразделяются по названию использованной оптической схемы: зеркальный телескоп системы Кассегрена, системы Ричи-Кретьена, трехзеркальная система телескопа LSST, зеркально-линзовый широкоугольный телескоп системы Максутова, камера Шмидта и т.д. По особенностям установки телескопа они разделяются на наземные на экваториальной или азимутальной монтировке и космические. Существует ИК телескоп, установленный на борту самолета (SOPHIA). Разрабатывались телескопы для наблюдений с аэро- и стратостатов.
Для наблюдений в разных спектральных диапазонах конструкции телескопов приходится оптимизировать вплоть до кардинального изменения облика (гамма-телескопы, рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные телескопы, суб-миллиметровые, миллиметровые, сантиметровые радиотелескопы и т.п.).
Существует также классификация по назначению телескопа, основное разделение касается солнечных и ночных наблюдений. Телескопы для исследования Солнца имеют ряд особенностей связанных со спецификой измерений такого мощного светового и протяженного источника и подразделяются далее по более узкому предназначению: хромосферный и фотосферный телескоп, коронограф и т.п.
Современные оптические телескопы для наблюдения звезд и внегалактических объектов имеют общие характерные особенности, определяемые текущим технологическим состоянием. Крупнейшие телескопы имеют схожие оптические схемы (система Ричи-Кретьена), характерный размер главного зеркала 8-11 м, встроенную систему активной оптики, контролирующей сравнительно медленные изменения параметров оптики и трубы телескопа, и оптимизированы для астрономических исследований в видимом и близком инфракрасном диапазонах спектра. Для достижения максимальной эффективности эти телескопы оснащаются системами адаптивной оптики. В некоторых случаях несколько телескопов объединяются в один комплекс, образуя звездный интерферометр с достаточно длинной базой, например, система из четырех телескопов VLB Южной европейской обсерватории на г. Параналь может образовывать интерферометр VLBI.
Проектируемые телескопы следующего поколения будут иметь диаметр главного зеркала порядка 30-50 м, что еще на два порядка увеличит их возможности. Эти телескопы изначально предназначены только для работы с системами адаптивной оптики различных типов. Их оптические схемы, как правило, оригинальны и содержат 3-4 зеркала. Современные телескопы - это уникальные, прецизионные, громадные и дорогостоящие инструменты. По своим размерам и стоимости (десятки и сотни миллионов долларов) они уступают разве что гигантским ускорителям элементарных частиц. Методом повышения эффективности их работы является установка такого инструмента в месте, обладающем хорошим и отличным астроклиматом.
Собранное телескопом излучение направляется на специальный астрономический прибор, назначение которого - пространственно или спектрально проанализировать излучение и зарегистрировать его для последующего хранения, измерения и анализа. Специфика астрономических измерения имеет особое отличие от обычного физического эксперимента - оно не может быть повторено в тех же самых условиях. Каждое астрономическое измерение - это некий временной срез реально части существующей и эволюционирующей Вселенной.
Астрономические навесные приборы (хотя они могут быть и установлены на неподвижной платформе телескопа) отличаются от обычных лабораторных аналогов повышенными требованиями к надежности, жесткости, термостабильности, эффективности пропускания света и чувствительности, поскольку предназначены для исследования предельно слабых астрономических объектов. В некоторых случаях речь идет об анализе единиц и десятков фотонов, приходящих от определенного источника. Время измерения может достигать нескольких часов. Типичными представителями таких приборов являются спектрографы, фотометры-поляриметры, часто они делаются многоканальными и многообъектными, чтобы не терять наблюдательное время.
В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах с 90-х годов прошлого столетия в качестве детектора используются многоэлементные фотоэлектрические приборы - как правило ПЗС камеры, обладающие почти 100% квантовым выходом и чувствительные в достаточно широком спектральном диапазоне. Современные астрономические ПЗС камеры имеют типичные размер 4 тысячи на 4 тысячи фоточувствительных ячеек и шумы, эквивалентные одному упавшему фотону. Однако и такой размер не обеспечивает некоторые потребности астрономических измерений, поэтому детекторы часто объединяются в мозаики, позволяющие одновременно получать изображение участка звездного неба размером 40 тыс на 40 тыс элементов разрешения. Каждый такой снимок занимает в памяти компьютера объем в несколько гигабайт. На протяжении одной наблюдательной ночи может быть получена информация общим объемом несколько терабайт.
Астрономические инструменты и приборы - уникальные изделия современной технологии, позволяющие добиваться решения существующих проблем современной астрономии и физики.
Реферат
Астрономические объекты древнего мира
Подготовил
ученик 11 класса
Райгородокской ООШ І-ІІІ ст.
Как Земля была измерена палкой
СЛЫШАЛИ ли вы когда-нибудь о древнегреческом математике и астрономе Эратосфене? Лучше всего его имя знакомо, вероятно, астрономам. Благодаря чему?
Эратосфен родился приблизительно в 276 году до н. э. и какое-то время учился в Афинах. Однако бо́льшую часть своей жизни он провел в Александрии (Египет), находившейся тогда под властью греков. Около 200 года до н. э. Эратосфен поставил перед собой задачу измерить Землю при помощи простой палки. «Невероятно!» - возможно, скажете вы. Как ему это удалось?
В городе Сиена (сейчас Асуан) Эратосфен заметил, что в полдень первого дня лета солнце стоит в зените. Он понял это потому, что предметы не отбрасывали тени, когда солнце освещало дно глубоких колодцев. Однако в полдень того же дня в Александрии, которая находилась в 5 000 стадиях на север от Сиены, можно было видеть тени. Это подсказало Эратосфену одну идею.
Эратосфен установил в Александрии гномон - простую вертикально стоящую палку. Когда в полдень солнце в Александрии находилось в зените, он измерил угол падения тени, которую отбрасывала палка. Величина угла от вертикали составила 7,2 градуса.
Эратосфен верил, что Земля имеет форму шара, и знал, что полная окружность соответствует углу 360 градусов. Поэтому он разделил 360 на величину измеренного им угла, то есть на 7,2. Что получилось? Угол был равен одной пятидесятой части полной окружности. Эратосфен заключил, что расстояние от Сиены до Александрии, равное 5 000 стадиям,- это одна пятидесятая длины окружности Земли. Умножив 5 000 на 50, Эратосфен вычислил, что длина окружности Земли составляет 250 000 стадиев.
Насколько эта цифра совпадает с сегодняшними измерениями? 250 000 стадиев - это 40 000-46 000 километров. При помощи орбитального космического корабля астрономы измерили окружность Земли, проходящую через Северный и Южный полюса, и получили цифру 40 008 километров. Получается, что измерения Эратосфена, произведенные более 2 000 лет назад, поразительно близки к величинам современных измерений. Эта точность удивляет еще больше, если учесть, что ученый пользовался лишь палкой и геометрическими законами! Современные астрономы взяли этот геометрический метод за основу для измерения расстояний за пределами Солнечной системы.
Тайна дольменов
«ЧТО такое дольмен?» - возможно, спросите вы. Это доисторическое сооружение, сложенное из двух и более тяжелых вертикально поставленных камней с покровной плитой, которое обычно образует камеру, в основном используемую для погребения. Дольмены расположены большей частью в Западной, Северной и Южной Европе.
В нидерландской провинции Дренте дольмены в основном располагаются в привлекательных, живописных местах. Знаменитый художник Винсент ван Гог написал в одном письме: «Дренте так красив, что если бы я не мог здесь остаться навсегда, то лучше бы я его не видел». Любители природы, а также те, кто интересуются археологией, найдут все, что пожелают, когда посетят дольмены Дренте.
Но почему нас должны интересовать груды древних камней? Во-первых, из любознательности. Зачем древние народы доставляли себе такую массу хлопот, перетаскивая, обрабатывая и поднимая эти ужасные тяжести? Некоторые глыбы весят тонны. А ведь в те времена у людей не было современных подъемных кранов! Так что же мы можем узнать о дольменах?
Мегалитические постройки
Дольмены относят к классу мегалитических построек (от греческого «мегалит» - «большой камень»). Возможно, вам знакомы менгиры Франции, получившие название от бретонского слова, которое означает «длинный камень». На Менорке, одном из Балеарских островов, есть мегалиты, известные как таулы (столы), которые состоят из тяжелой плиты, положенной горизонтально на стоящий вертикально камень, образуя таким образом массивную Т.
Не угасает интерес людей к Стоунхенджу в Англии, кругу из очень больших камней, некоторые весят даже до 50 тонн. Около 80 столбов из сине-серого песчаника были доставлены за 380 с лишним километров с гор Преселли в Уэльсе. Согласно книге, изданной американским географическим обществом «Тайны человечества: необъяснимые сооружения земли» («Mysteries of Mankind-Earth’s Unexplained Landmarks»), «ученые предполагают, что сооружение [Стоунхендж] было храмом, в котором было отражено вечное, циклическое движение Солнца, Луны и звезд по небу, но не более того».
Сегодня дольмен представляет собой лишь остов погребального сооружения, так как огромные глыбы были первоначально спрятаны от взоров под насыпью песка и земли. Благодаря открытиям стало ясно, что дольмен был родовым погребением. Некоторые данные показывают, что в одном дольмене было похоронено более ста человек - целое кладбище!
В Нидерландах до наших дней сохранилось 53 дольмена: 52 из них находятся в провинции Дренте. Интересно, что они не были сооружены наугад, большинство из них ориентированы на восток и запад, с входом на юге, что, вероятно, имеет какое-то отношение к сезонным положениям Солнца. Древние строители использовали вертикальные глыбы-подпорки и большие покровные плиты, а отверстие между глыбами закрывалось большими камнями. Пол выкладывался камнем. Самый большой дольмен в Нидерландах, у деревни Борхер, достигает 22 метров в длину и состоит из 47 глыб. Одна из покровных плит составляет около 3 метров в длину и весит 20 тонн! Все это поднимает ряд вопросов.
Когда они были построены? Кем, как и зачем?
Ответы на эти вопросы очень неясны, так как нет письменных памятников, рассказывающих об истории Европы того времени. Поэтому уместно говорить о дольменах как о таинственных постройках. Что же о них известно? Во всяком случае, какие высказывались предположения?
В 1660 году «преподобный» Пикардт из маленького городка Кюфорден, в Дренте, пришел к заключению, что они были построены великанами. Какое-то время спустя местные власти проявили интерес к этим могилам. Из-за того что камни дольменов использовались для укрепления дамб, а также для строительства церквей и домов, 21 июля 1734 года Ландшафтное управление Дренте ввело закон об охране дольменов.
Только в 1912 году несколько дольменов были тщательно изучены специалистами. В дольменах были найдены черепки (фрагменты керамики), орудия (кремневые топоры, наконечники стрел), украшения, такие, как янтарные бусы, но лишь немного костей, потому что они плохо сохранились в песчаной почве. Иногда, судя по найденным черепкам, число сосудов доходило до 600. Если предположить, что на каждого умершего приходилось по два-три сосуда с едой, то в некоторых могилах, вероятно, было похоронено довольно много людей.
Ученые утверждают, что дольмены были построены из эрратических валунов, перенесенных в течение первобытного ледникового периода из Скандинавии. Утверждается, что строителями были земледельцы, принадлежавшие к так называемой культуре «воронковидных кубков», получившей свое название от найденных характерных воронковидных кубков.
Одна теория о строительных методах гласит: «Тяжелые глыбы, возможно, перетаскивались по деревянным валикам с помощью кожаных ремней. Чтобы переместить покровные плиты вверх, по-видимому, делалась насыпь из песка и глины». Но никто точно не знает, как именно это делалось. Почему умерших не хоронили обычным способом? Какое было у строителей представление о жизни после смерти? Почему в могилах были оставлены предметы? Исследователям остается только гадать об ответах на эти вопросы. Так как дольмены были построены очень давно, невозможно точно сказать когда, кем, зачем и как это было сделано.
Календарь майя
ДРЕВНИЕ майя придавали летоисчислению огромное значение. Их убежденность в том, что события повторяются через определенные промежутки времени, нашла отражение в созданных ими календарях.
Майя пользовались календарем, который, по мнению специалистов, назывался « цолькин» . Календарный цикл состоял из 260 дней и разделялся на 13 периодов. В каждом периоде было 20 дней, причем каждый день имел свое название. «Цолькин» использовался для определения времени религиозных обрядов, а также в гадании.
Одновременно с этим велся счет времени по гражданскому календарю, называемому « хааб» . Это был солнечный календарь, в котором год насчитывал 365 дней. Он состоял из 19 месяцев: в 18 из них было по 20 дней, а в одном - только 5 (он добавлялся для того, чтобы общее число дней равнялось 365). Этот календарь лежал в основе сельскохозяйственных работ и повседневной жизни майя. Изобретательные индейцы объединили два календаря в так называемый «календарный круг». Таким образом, любая дата составлялась из элементов обоих календарей. Даты в «календарном круге» повторялись лишь через 52 года.
Никаких древних источников, которые давали бы полное описание календаря майя, не найдено. Ученые получают сведения о календарной системе, расшифровывая горстку сохранившихся рукописей майя и изучая иероглифы на их стелах и памятниках.
После столетий исследований календарь майя по-прежнему приводит специалистов в восхищение и поражает своей сложностью. Среди его особенностей - тонкие поправки к продолжительности солнечного года и необычайно точное описание лунных и планетарных циклов. Все это было искусно подсчитано древними майя, которые скрупулезно вели счет времени.
Астрономическая обсерватория Кахокии
Одна из достопримечательностей Кахокии – ряд «правильных кругов, образованных массивными столбами, которые когда-то стояли на горизонтальной поверхности через равные интервалы» («Нэшнл джиогрэфик», декабрь 1972 года). Такое сооружение называют вудхендж, что объясняется его сходством с древним солнечным календарем из камней в Стоунхендже (Англия).
Один такой вудхендж был восстановлен. Он представляет собой круг диаметром 125 метров, образованный 48 огромными столбами из виргинского можжевельника. По мнению некоторых, он служил в качестве солнечной обсерватории. Столбы «соответствуют сторонам света и расположены таким образом, что сорок девятый столб, поставленный вне круга, позволял наблюдателю, находящемуся внутри круга, следить за восходом солнца во время равноденствия и солнцестояния в 1000 году».
Археологам удалось понять назначение только трех столбов. Один из них отмечает равноденствие, первый день весны и осени, в которые солнце восходит в одном и том же месте. Другие два столба указывают первый восход в период зимнего и летнего солнцестояния. Для чего предназначены остальные столбы, пока неясно.
Удивительные открытия на экваторе
В 1735 году в Парижской академии наук велись жаркие споры о форме Земли. Сторонники теории Исаака Ньютона полагали, что Земля - это сфера, слегка приплюснутая у полюсов. А последователи школы Кассини утверждали, что Земля приплюснута у экватора.
Чтобы измерить кривизну Земли, в 1736 году снарядили две экспедиции. Одна направилась в Лапландию, к Северному полюсу, а другая - к экватору, где сегодня находится государство Эквадор. В ходе экспедиции выяснилось, что правы были последователи Ньютона.
В 1936 году в честь 200-летия французской экспедиции недалеко от города Кито, столицы Эквадора, был воздвигнут величественный монумент. Он находится на линии, которую французские ученые в XVIII веке приняли за нулевую широту, или экватор. Монумент назвали «Серединой мира», и сегодня посмотреть на него приезжают многочисленные туристы. Они уверены, что, встав на линию экватора и расставив ноги, можно одновременно побывать сразу в двух полушариях. Но так ли это на самом деле?
Не совсем. Как показывают последние исследования, линию экватора следует немного переместить. Удивительно, но о точном месте нахождения линии экватора знали древние племена, которые жили в этих местах еще до прихода французских ученых! Откуда им это было известно?
Настоящий экватор
В 1997 году на вершине горы Катекилла, расположенной немного к северу от Кито, были найдены развалины полукруглой стены, которая, казалось, не представляла особой ценности. Однако с помощью спутниковой Глобальной системы навигации исследователь Кристобаль Кобо обнаружил, что один конец стены находится прямо на линии экватора.
Этот факт может показаться случайным совпадением. Однако примечательно, что линия, соединяющая начало и конец стены, расположена под углом 23,5 градуса по отношению к экватору. Практически столько же составляет угол наклона земной оси! Более того, один конец этой соединяющей линии указывает на место, где восходит солнце в период зимнего солнцестояния в декабре, а другой - на место, где оно заходит во время летнего солнцестояния в июне. Вскоре были обнаружены и другие не менее интересные факты.
С помощью теодолита, установленного на вершине горы Катекилла, исследователи заметили, что пирамиды Кочаски, построенные еще до прихода инков, располагались в одну линию, которая во время солнцестояния в июне также была направлена на восход солнца. Примечательно, что и комплекс строений Памбамарка располагался под тем же углом и был направлен на восход солнца во время солнцестояния в декабре.
Была ли гора Катекилла центром астрономических наблюдений? Возможно ли, что и другие строения были спроектированы и выстроены в одну линию с учетом данных, полученных в этом центре?
Дальнейшие открытия
Когда на карту были нанесены и другие древние сооружения, получилась ровная геометрическая фигура - восьмиконечная звезда. Этот символ часто встречается на древних керамических изделиях. Поскольку древние народы были солнцепоклонниками, считалось, что эта звезда представляет собой изображение солнца. Исследование черепков, найденных на горе Катекилла, показало, что им около тысячи лет. И по сей день местные племена, следуя традициям своих предков, изображают восьмиконечную звезду на тканях и гобеленах. Однако их предки, по всей видимости, вкладывали больший смысл в это изображение.
В рамках проекта «Китса-то», которым руководит Кристобаль Кобо, было собрано немало убедительных доказательств того, что древние племена обладали обширными знаниями в области астрономии. Как выяснилось, более десятка памятников древности и многие города располагались на линиях гигантской астрономической звезды. Это хорошо видно, если нанести объекты на карту. В самом центре звезды находилась гора Катекилла.
Но что самое удивительное, ученые смогли вычислить точное месторасположение этих ранее неизвестных городов и памятников. Каким образом? В сентябре 1999 года участники проекта «Китса-то» предложили вести раскопки в столичном районе Альтамира, который расположен на одном из лучей звезды, под углом 23,5 градуса к горе Катекилла. Здесь были обнаружены огромные захоронения и множество керамических изделий, которые относятся к культурам колониальной эпохи, периоду инков и их предшественников.
На некоторых линиях, проходящих через гору Катекилла, расположены церкви времен испанской колонизации. Как объяснил Кобо, в 1570 году совет Лимы потребовал строить «церкви, монастыри, часовни и установить кресты везде, где располагались языческие „вакас“ (захоронения) и места поклонения коренных жителей». Для чего это понадобилось?
Испанская корона рассматривала все эти культовые сооружения, как варварские пережитки прошлого. Все здания были разрушены, и на их месте возводились католические церкви. Когда храмы солнца заменили церквями, испанцам стало легче обращать местных жителей в католицизм.
Церковь Сан-Франциско в старой колониальной части Кито расположена как раз на одном из лучей гигантской звезды, исходящих от Катекиллы. Она была построена в XVI веке на месте храма, возведенного еще до прихода инков. В декабре, во время солнцестояния, лучи восходящего солнца проходят сквозь купол церкви, высвечивая треугольник над алтарем. По мере того как солнце поднимается, солнечный луч постепенно опускается ниже и останавливается на иконе «Бог Отец», озаряя лицо на образе. Это случается ровно в день зимнего солнцестояния! Другие местные церкви были также построены с учетом движения солнца. Все это делалось для того, чтобы обратить солнцепоклонников в католическую веру.
Откуда им было известно?
Как эти древние народы узнали, что «середина мира» проходит через гору Катекилла? Существует лишь одно место на земле, где в полдень во время равноденствия предметы не отбрасывают тени - это экватор. Участники проекта «Китса-то» пришли к выводу, что именно тщательные наблюдения за тенями помогли древним определить месторасположение экватора.
Более того, гора Катекилла - естественная астрономическая обсерватория - не могла остаться незамеченной народами, которые поклонялись солнцу. Эта гора, высотой 300 метров, расположена между восточным и западным хребтами Анд. Поэтому точки восхода и захода солнца каждый день были надежными ориентирами на фоне восхитительной панорамы горных цепей. Например, величественные, покрытые снегом вулканы Каямбе и Антисана, которые расположены на востоке и возвышаются почти на пять тысяч метров, служат заметными ориентировочными знаками для наблюдения за движением солнца.
С горы Катекилла, охватывая взором 360 градусов, можно увидеть невооруженным глазом около 20 древних городов, а также примерно 50 памятников древности. Более того, поскольку гора расположена на нулевой широте, с ее вершины можно наблюдать небо как южного, так и северного полушария. Катекилла по праву может быть названа серединой мира, ведь это единственное место на земле, где можно сделать все эти наблюдения на высоте более трех тысяч метров над уровнем моря.
Линия экватора проходит в основном через океан и тропические непроглядные джунгли, в которых из-за буйной растительности невозможно наблюдать за небесными светилами. Кроме того, в джунглях не найти надежных ориентиров, чтобы сделать точные расчеты, так как лес постоянно обновляется. Лишь в Кении на линии экватора расположены три горы, однако они не находятся между горными хребтами, как Катекилла. По всему видно, что гора Катекилла занимает самое выгодное положение и будто создана для того, чтобы стать астрономической обсерваторией.
Кем они были?
Кем были эти древние астрономы? Участники проекта «Китса-то» считают, что первыми открытия сделали коренные жители тех мест, древние племена, такие, как киту и кара. Однако многое еще остается неясным, поскольку это лишь только начало проекта.
Тем не менее уже получены основные представления об этих народах. Стало известно, что они наблюдали за движением солнца, чтобы составлять календари для ведения сельского хозяйства. Без солнца жизнь на земле невозможна, поэтому неудивительно, что древние племена стали ему поклоняться. Так, наблюдения за солнцем и связанные с этим вычисления превратились в священнодейственные ритуалы.
Религиозное рвение, по всей видимости, побудило древних со всей серьезностью подойти к изучению неба и небесных светил. За столетия исследований они создали богатейшую сокровищницу астрономических знаний, дверь в которую приоткрывается лишь сегодня благодаря удивительным открытиям, сделанным у горы Катекилла.
Джантар Мантар. Обсерватория без телескопов
Побывав в обсерватории Джантар Мантар в Дели (Индия) посетители с удивлением восклицают: «Неужели это и впрямь обсерватория?!» Те, для кого обсерватория - современное здание, оборудованное высокоточными дорогостоящими приборами, вряд ли примут эти необычные каменные строения в огромном парке за научное учреждение. Однако в начале XVIII века Джантар Мантар был настоящей астрономической обсерваторией. И самое удивительное, что, хотя в ней не было телескопов и других приборов, изобретенных в Европе, она давала подробные и довольно точные сведения о небесных телах.
Джантар Мантар - это название трех из пяти обсерваторий, построенных правителем Раджпутаны, магараджей Савай Джай Сингхом II. Слово «джантар» происходит от санскритского «янтра» и означает «прибор, или инструмент», а слово «мантар» - от «мантра», что означает «измерение, или формула». Свойственное разговорному стилю добавление рифмованного слова привело к появлению названия - Джантар Мантар.
Согласно табличке, установленной в 1910 году, обсерватория Джантар Мантар в Дели была построена в 1710 году. Однако, как показывают более поздние исследования, строительство, скорее всего, было завершено в 1724 году. Установить это помогают сведения из жизни Джай Сингха. Но прежде давайте познакомимся с необычными приборами одной из самых старинных обсерваторий.
Приборы из камня
В обсерватории Джантар Мантар четыре прибора, и все они построены из кирпича и камня. Самый примечательный из них - Самрат янтра, или Главный прибор, который «в основном использовался как точные и равномерно идущие солнечные часы». Эти часы считаются самым выдающимся изобретением Джай Сингха. Прибор представляет собой огромный кирпичный треугольник высотой более 21 метра, в основании около 35 метров и в ширину более 3 метров. Гипотенуза этого гигантского треугольника составляет 39 метров в длину. Она расположена параллельно земной оси и направлена на северный полюс. По обе стороны треугольника, или гномона, находится квадрант с делениями для измерения часов, минут и секунд. Хотя примитивные солнечные часы существовали уже веками, Джай Сингху удалось превратить этот простой инструмент в точный прибор для измерения склонения и других координат небесных тел.
Остальные три прибора обсерватории - это Рам янтра , Джаяпракаш янтра и Мишра янтра . Замысловатые, причудливые формы этих строений позволяли измерять склонение, высоту, а также азимут солнца и звезд. С помощью прибора Мишра можно было даже узнать время наступления полдня в различных городах мира.
Все перечисленные выше приборы, за исключением прибора Мишра, были созданы Джай Сингхом. В то время это были самые сложные и самые точные измерительные приборы в Индии. Они послужили основой для составления точных календарей и астрономических таблиц. С помощью этих красивых изящных строений астрономы получали ценные сведения, пока на смену каменным приборам не пришли телескопы и другие изобретения. Но почему такой одаренный и высокообразованный человек, как Джай Сингх, не прибегнул в своих астрономических исследованиях к инструментам, доступным в то время в Европе, например оптическому телескопу? Ответ мы найдем, если познакомимся с жизнью магараджи и заглянем в историю того времени.
«Поглощен изучением математической науки»
Джай Сингх родился в 1688 году на территории современного индийского штата Раджастхан. Его отец, правитель города Амбер, столицы раджпутского княжества Качаваха, находился под властью Великих Моголов в Дели. Молодой принц был прилежен в занятиях и овладел такими языками, как хинди, санскрит, персидский и арабский. Он также получил познания в математике, астрономии и боевых искусствах. Но одна наука особо завладела сердцем принца. В документах того времени отмечалось: «С самых первых шагов в стремлении к знаниям и в период взросления Савай Джай Сингх был поглощен изучением математической науки (астрономии)».
В 1700 году, после смерти отца, 11-летний Джай Сингх вступил на престол в Амбере. Вскоре юного правителя пригласили ко двору императора Моголов в южную Индию, где Джай Сингх познакомился с Джаганнатом, знатоком в области математики и астрономии. Позднее этот человек стал придворным советником Джай Сингха. Политическое положение молодого магараджи оставалось неустойчивым до 1719 года, когда к власти пришел Мухаммед Шах. Вскоре Джай Сингх был вызван в столицу, Дели, на прием к новому правителю Моголов. На той встрече в ноябре 1720 года Джай Сингх, скорее всего, и представил императору план строительства обсерватории, который был воплощен в жизнь, вероятно, в 1724 году.
Что побудило Джай Сингха построить обсерваторию? Магараджа понимал, что индийские календари и астрономические карты имели большие погрешности, а астрономия как наука практически не развивалась. Поэтому он решил сделать новые карты, которые бы соответствовали действительному положению видимых небесных тел. Он также мечтал создать инструменты для астрономических наблюдений, которые были бы доступны каждому, кто увлекается астрономией. Джай Сингх приобрел множество научных книг из Франции, Англии, Португалии и Германии. При дворе он окружил себя учеными из индусских, мусульманских и европейских школ астрономии. Он даже направил в Европу первую посланную с Востока экспедицию, поручив своим людям собрать необходимые сведения по астрономии, а также привезти научные книги и инструменты.
Восток и запад так и не сошлись
Почему Джай Сингх строил каменные сооружения, если в Европе уже существовал телескоп, микрометр и верньер? И как получилось, что магараджа оказался незнаком с открытиями Коперника и Галилея и представлением о гелиоцентрической системе мира?
Отчасти виной всему стало практически полное отсутствие сообщения между Востоком и Западом. Но это было не единственной помехой. Немалую роль сыграла также религиозная обстановка того времени. Ученые-брахманы отказывались ехать в Европу, поскольку за пересечение океана они могли лишиться принадлежности к своей касте. Европейцы, которые помогали Джай Сингху собирать информацию, были, в основном, ученые-иезуиты. По словам историка В. Н. Шармы, который написал биографию Джай Сингха, как иезуитам, так и мирянам-католикам было запрещено перенимать взгляды Галилея и других ученых о том, что Земля вращается вокруг Солнца. Церковь считала все эти теории ересью и безбожием и угрожала инквизицией. Неудивительно, почему посыльные Джай Сингха не включили в свой отчет работы Коперника и Галилея, а также описание новых инструментов, с помощью которых подтверждалась гелиоцентрическая система мира.
Объекты астрономии
Астрономия прошла долгое развитие от первых попыток древними людьми что-то узнать о мироздании, до современных технологичных аппаратов, позволяющих заглянуть в глубь Вселенной и узнать её прошлое и будущее. Рассмотрим кратко, что является объектами изучения современной астрономии.
В астрономии объектами изучения являются небесные тела, расположенные в том числе и в нашей Солнечной системе (Солнце, планеты, метеориты и т. д).
Итак, какими же особенностями обладает астрономический объект?
Астрономический объект (или тело) имеет следующие характеристики.
Определение 1
Астрономический объект это, как правило, некое тело которое имеет обособленную, связанную гравитацией структуру. Иногда, эта структура может быть связана электромагнетизмом. Такими объектами, в частности, являются астероиды, спутники, планеты, а также звезды.
Исследователи отмечают, что в изучаемой ими Вселенной просматривается явно некая иерархическая структура. Так, астрономы могут наблюдать, что галактики организуются в группы и скопления галактик, а те в свою очередь - в сверхскопления. При этом галактики образуют то, что астрономы называют «наблюдаемой Вселенной».
Как галактики, так и карликовые галактики могут иметь разнообразные структуры. Такая структура определяется особенностями формирования и эволюции галактик, и особенностями взаимодействия с иными галактиками.
Так, в зависимости от типа галактики, у неё может быть несколько различных компонентов, таких как:
- спиральные рукава,
- гало,
- ядро.
Отметим, что согласно современным представлениям, в ядре большинства галактик существуют массивные черные дыры. Данные черные дыры и приводят в результате к появлению активных ядер. Кроме того, у галактик могут существовать спутники. Спутниками галактик могут быть карликовые галактики и шаровые звездные скопления.
Отметим также и особенности формирования составных частей галактики. Такие части сформированы из газа и пыли, которые собираются гравитацией в иерархическом порядке. На данном уровне мы встречаем в основном звезды. Они собираются в звездные скопления, которые формируются в регионах так называемого звездообразования.
Разнообразие типов звезд обусловлено такими причинами как их масса, состав и идущая в этом момент эволюция звезды. Звезды также могут объединяться в звездные системы.
Звездные системы, в свою очередь, состоят из нескольких частей, которые обращаются друг вокруг друга или же вокруг центра массы.
В свою очередь планетарные системы и малые тела, такие как астероиды, кометы и т. д. формируются процессами (называемыми аккреционными), происходящими в протопланетном диске. Этот диск окружает новорожденные звезды.
Объекты Солнечной системы
Рассмотрим как пример объекты Солнечной системы.
Рисунок 1. Объекты Солнечной системы. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Замечание 1
Солнечная система представляет собою планетную систему в состав которой входит центральная звезда по имени Солнце. Также в Солнечную систему входят все прочие естественные космические объекты которые обращаются вокруг нашего светила. Солнечная система согласно научным данным сформировалась в результате гравитационного сжатия газопылевого облака примерно 4,57 млрд. лет назад.
Отметим, что общая масса Солнечной системы равна 1,0014 M☉. При этом большая часть массы приходится как раз на Солнце.
Меркурий, Венера, Земля и Марс расположены ближе всего к Солнцу и их называют планетами земной группы. Эти планеты состоят в основном из силикатов и металлов.
Следующие четыре планеты более удалены от Солнца. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их называют также газовыми гигантами. Эти планеты обладают гораздо большей массой чем планеты земной группы.
Самые крупные планеты Солнечной системы Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и гелия.
Газовые гиганты меньшего размера - Уран и Нептун, кроме водорода и гелия имеют в своем составе метан и угарный газ. Также эти планеты выделяются в отдельный класс «ледяных гигантов».
Кроме того, шесть планет из восьми и четыре карликовые планеты имеют естественные спутники. Планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют такую особенность как окружающие их кольца пыли и иных частиц.
В Солнечной системе присутствуют также две области, которые имеют в своем наличии множество малых тел. Это, пояс астероидов, который находится между Марсом и Юпитером. По составу данный пояс схож с планетами земной группы. Астероиды как и планеты земной группы состоят в основном из силикатов и металлов.
Самыми крупными объектами рассматриваемого пояса астероидов являются следующие небесные тела: планета Церера, а также астероиды Паллада, Веста и Гигея.
За орбитой планеты Нептун находятся так называемые транснептуновые объекты. Они состоят в основном из замерзшей воды, аммиака и метана. Наиболее крупными из них считаются такие объекты как:
- Плутон,
- Седна,
- Хаумеа,
- Макемаке,
- Квавар,
- Эрида.
Замечание 2
Отметим, что не так давно Плутон считался девятой планетой Солнечной системой, но был «разжалован» в связи с дополнительными научными изысканиями.
Также в нашей Солнечной системе присутствуют такие виды малых астрономических объектов как планетные квазиспутники и троянцы, кентавры, околоземные астероиды, дамоклоиды. Кроме того, по Солнечной системе происходят перемещения комет, метеороидов и космической пыли. .
Заметим также, что существует и солнечный ветер, который является потоком плазмы от нашего Солнца. Этот солнечный ветер образует границу гелиосферы в межзвездной среде. Гелиосфера простирается по наблюдениям специалистов до самого края рассеянного диска. В свою очередь, так называемое, облако Оорта, которое служит источником долгопериодических комет, простирается по оценкам специалистов приблизительно в тысячу раз дальше, чем гелиосфера.