Текст книги "101 ключевая идея: Астрономия"

Автор книги: Джим Брейтот

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 11 страниц)

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ ПТОЛЕМЕЯ

Птолемей – александрийский астрономом, живший во II веке нашей эры. Его великий труд «Альмагест», состоящий из 11 книг, содержал все известные на тот момент астрономические знания. Каталог, вошедший в «Альмагест» и содержавший 1022 звезд, не был превзойден в течение следующих 300 лет. Птолемей наиболее известен своей моделью Вселенной, [27]27
  В наиболее четкой форме геоцентрическая система мира быта разработана великим ученым древности Аристотелем (IV в. до н. э.).


[Закрыть]где Земля находится в центре, а планеты и Солнце вращаются вокруг нее по кругам, или эпициклам.

Птолемей считал, что Солнце и Луна движутся по кругу в одной плоскости вокруг Земли, причем лунная орбита гораздо меньше солнечной. Он также считал, что звезды неподвижно прикреплены к небесной сфере, которая включает все планеты. Небесная сфера вращается с постоянной скоростью – оборот в сутки, унося звезды, которые восходят каждую ночь на небе, с востока на запад. Меркурий и Венера двигались по эпициклам, центрированным на линии между Землей и Солнцем; согласно этой схеме Меркурий находился ближе к Земле, чем Венера. Поскольку Солнце двигалось вокруг Земли, Птолемей показал, почему Меркурий и Венера никогда не отдаляются от Солнца. Каждая из других планет двигалась независимо от Солнца по своему эпициклу, центром которого была Земля. Радиальная линия от внешней планеты до центра эпицикла всегда была параллельна линии между Землей и Солнцем. Пользуясь этой моделью, Птолемей мог объяснить ретроградные движения Марса, Юпитера и Сатурна.

См. также статью «Коперник».

ПЛАНЕТЫ

Девять известных планет в порядке увеличения расстояния от Солнца – это Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Три внешние планеты можно наблюдать только с помощью телескопа. Четыре внутренние планеты называются планетами земного типа, поскольку они плотные и гораздо меньше Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, называемыми газовыми гигантами.

Планеты можно наблюдать потому, что они отражают солнечный свет. Яркость планеты изменяется в соответствии с положением на орбите по отношению к Земле, так как размер части ее освещенной Солнцем поверхности, видимой с Земли, тоже изменяется. И наконец в случае в Сатурном кольца планеты отражают больше солнечного света, когда они видны "плоскостью", а не "ребром".

По мере своего вращения вокруг Солнца планеты постепенно движутся через созвездия в плоскости эклиптики. Слово "планета" в Древней Греции означало "странница", так как планета изменяет свое положение на неподвижном фоне звезд и созвездий.

Меркурий и Венера восходят и заходят за несколько часов до заката или после рассвета, поскольку они расположены ближе к Солнцу, чем Земля, а также имеют полный цикл фаз, как земная Луна. Когда Венера находится в точке нижнего астрономического соединения, двигаясь между Землей и Солнцем, ее можно видеть как большой полумесяц; освещенная Солнцем поверхность в основном обращена в сторону от Земли. По мере движения планеты вокруг Солнца площадь освещенной Солнцем поверхности возрастает, и наконец мы можем видеть Венеру как сравнительно небольшой диск, когда она приближается к точке верхнего астрономического соединения, расположенной почти диаметрально напротив Земли.

Марс и другие планеты, расположенные дальше от Солнца, не обнаруживают полного цикла фаз, так как они никогда не проходят между Землей и Солнцем. Говорят, что внешняя планета находится в противостоянии, когда она находится в противоположном направлении от Солнца по отношению к Земле и может наблюдаться в Северном полушарии в полночь, если смотреть прямо на юг.

См. также статьи «Земля», «Юпитер», «Марс», «Меркурий», «Нептун», «Плутон», «Сатурн», «Уран», «Венера».

ПЛУТОН

Плутон был открыт в 1930 году Клайдом Томбо, который пользовался широкоугольной камерой, прикрепленной к телескопу. Томбо обнаружил планету, которая была более тусклой, чем Нептун, и двигалась через созвездия медленнее. Тщательные измерения позволили астрономам прийти к выводу, что Плутон движется вокруг Солнца по гораздо более вытянутой орбите, чем любая другая планета. Расстояние от Плутона до Солнца составляет от 30 до 50 астрономических единиц, а полный оборот по орбите планета совершает примерно за 248 лет. В период с 1979 по 1999 год Плутон был ближе к Солнцу, чем Нептун. Наклонение его орбиты к плоскости эклиптики, составляющее 17°, тоже значительно больше, чем у любой другой планеты. Диаметр Плутона составляет менее 0,2 земного, а его средняя плотность в 2,3 раза превосходит плотность воды.

В 1978 году было обнаружено, что у Плутона есть спутник, обращающийся вокруг планеты за 6 суток и 9 дней на расстоянии 20 000 км. Этот спутник, названный Хароном, замкнут в синхронной орбите и вращении с Плутоном. В течение нескольких лет Харон и Плутон регулярно затмевают друг друга, когда плоскость орбиты Харона оказывается "ребром" к Земле.

Считается, что Плутон имеет разряженную атмосферу из азота и окиси углерода. Более полная информация о Плутоне и Хароне была получена с помощью космического телескопа Хаббла. Чередование светлых и темных областей в районе экватора Плутона указывает на шестисуточный период вращения Харона, а также дает основание полагать, что ось вращения Плутона наклонена под углом примерно 120° к орбите спутника. Диаметр Харона составляет около половины диаметра Плутона, так что эти два небесных тела более сходны по размеру, чем любая другая планета и ее спутник. Они имеют сходную плотность и химический состав; поверхности обоих тел частично покрыты льдом.

См. также статьи «Нептун», «Планеты», «Орбиты планет».

РАВНОДЕНСТВИЕ

Земля вращается с постоянной скоростью, и направление ее оси почти не изменяется, поэтому Полярная звезда находится прямо над Северным полюсом Земли. Ось вращения нашей планеты наклонена под углом 23,5° к оси ее орбиты; это означает, что земной экватор наклонен под углом 23,5° к плоскости эклиптики. Представьте модель Солнца и Земли, в которой земной экватор находится на одной плоскости с орбитой. Тогда Земля стала бы очень скучным местом, поскольку каждый день состоял бы из 12 часов дневного света и 1 2 часов темноты.

Направление земной оси постепенно меняется. В следующем тысячелетии, в 3000 году, земная ось повернется примерно на 35°. Этот эффект, известный под названием прецессия, можно наблюдать, раскрутив детский волчок. Ось волчка при вращении медленно поворачивается вокруг вертикальной линии, проведенной через его основание. Земная ось совершает полный цикл прецессии примерно за 26 000 лет. Из-за прецессии точки равноденствия, где небесный экватор пересекается с плоскостью эклиптики, постепенно движутся по эклиптике со скоростью примерно 1° за 70 лет. Прецессия равноденствий объясняет, почему первая точка Овна, которая является положением весеннего равноденствия на небесной сфере, теперь находится в созвездии Рыб, а не Овна, где она находилась 3000 лет назад, когда весеннее равноденствие было названо в честь созвездия Овна.

Прецессия земной оси

См. также статью «Небесная сфера 2».

ПУЛЬСАР

Пульсар похож на космический маяк, испускающий световые и радиоволны. Пучок радиоволн от пульсара регулярно проходит мимо Земли, где приборы регистрируют очередной кратковременный всплеск радиоизлучения. Пульсары впервые были обнаружены в 1967 году, когда радиоастрономы установили факт регулярных радиосигналов из космоса. В то время некоторые журналисты утверждали, что разумные существа с других планет пытаются установить контакт с землянами.

Пульсар представляет собой вращающуюся нейтронную звезду, испускающую электромагнитный луч, который вращается вместе со звездой. Первый из обнаруженных пульсаров давал всплески радиоизлучения каждые 1,33 секунды, что соответствовало периоду вращения 1,33 секунды. Для сравнения: Солнце совершает полный оборот вокруг своей оси примерно за 4 недели. Если бы Солнце уменьшилось в размерах без потери массы, оно стало бы вращаться быстрее, точно так же, как фигуристка, которая вскидывает руки вверх при вращении. Очень быстрое вращение пульсаров навело астрономов на мысль, что пульсары должны быть очень небольшого по сравнению с Солнцем размера, а следовательно, очень плотными. Нейтронная звезда с массой равной массе Солнца имеет не более 20 км в диаметре и вращается гораздо быстрее Солнца. Вскоре были обнаружены новые пульсары, включая 33-миллисекундный пульсар в центре Крабовидной туманности. Этот пульсар был первым, испускавшим электромагнитное излучение в диапазоне видимого света. Это открытие подтвердило теорию о том, что пульсар – нейтронная звезда, оставшаяся после взрыва сверхновой. Пульсар обладает очень сильным магнитным полем (порядка 10 ⁶Т) с полюсами, расположенными под углом к оси вращения. Магнитное поле собирает электромагнитное излучение в пучки вдоль магнитной оси; это означает, что луч описывает окружность по мере вращения звезды. Частота вращения пульсара медленно уменьшается, что указывает на постепенную потерю энергии. Периодичность всплесков пульсара в Крабовидной туманности увеличивается примерно на 10 микросекунд в год. В целом, чем старее пульсар, тем медленнее его скорость вращения.

См. также статьи «Эволюция звезд», «Нейтронная звезда», «Радиоастрономия».

РАДАРНАЯ АСТРОНОМИЯ

Радар – это радиолокационное устройство, основанное на принципе пульсирующих коротковолновых радиоимпульсов, предназначенное для обнаружения объектов, отражающих радиоволны, и для измерения расстояний до таких объектов.

Радиотелескопы посылают радарные сигналы к Луне или каменистым планетам, таким, как Марс и Венера, а затем принимают отраженные сигналы. Измеряя интервал между передачей сигнала и приемом отраженного сигнала, можно вычислить расстояние до объекта, умножив половинный цикл передачи/приема на скорость распространения электромагнитных волн в космосе. К примеру, время передачи и приема отраженного сигнала от Марса (42 минуты) дает расстояние 21×60 с×300 000 км/с = = 378 000 000 км. В радарной астрономии используются большие радиотелескопы, определяющие коротковолновые радиоимпульсы длиной порядка нескольких сантиметров. Радарные импульсы, испускаемые большой параболической антенной, рассеиваются при отражении от отдаленного объекта, поэтому детектор должен быть очень чувствительным, так как отраженные импульсы крайне слабые. Тем не менее точность таких измерений позволила определять диаметр и поверхностный рельеф планеты при сканировании импульсов, отраженных от поверхности небесного тела. Кроме того, изменение доплеровского смещения отраженных импульсов от противоположных концов экваториального диаметра планеты позволило точно измерить скорость ее вращения.

С помощью радиоастрономии удалось подтвердить, что электромагнитные волны, проходящие вблизи Солнца, изгибаются под воздействием солнечного тяготения в. соответствии с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. По мере того как линия зрения между Землей и наблюдаемой планетой приближается к Солнцу, этот эффект увеличивает интервал поступления отраженных радарных импульсов. При измерениях выяснилось, что эта величина совпадает с предсказаниями Альберта Эйнштейна с точностью до 0,1 %.

См. также статьи «Планеты», «Радиотелескопы», «Красное смещение».

РАДИОАСТРОНОМИЯ

Радиоастрономия – это область астрономии, которая занимается определением и измерением астрономических источников радиоволн с длиной от нескольких сантиметров и выше. Земная атмосфера позволяет радиоволнам длиной до 10 м достигать поверхности Земли, поэтому большие радиотелескопы можно использовать для картирования источников радиоизлучения на небосводе.

Ученые, работающие над военными радиоустановками в 1942 году, обнаружили, что Солнце – мощный источник радиоволн. В 1946 году был обнаружен еще один мощный источник радиоизлучения в созвездии Лебедя, получивший название Лебедь А. К другим известным источникам радиоизлучения относятся Крабовидная туманность (остатки сверхновой звезды) и галактика М87. Кроме того, было обнаружено, что диск Галактики Млечный Путь тоже источник радиоизлучения.

Благодаря использованию радиотелескопов, настроенных на определение радиоволн длиной 21 см, удалось составить карту распространения водорода в диске Млечного Пути. Такие радиоволны излучаются атомом водорода, когда его электрон со спином параллельным спину протона переходит в более низкое энергетическое состояние со спином противоположного направления. В отличие от света радиоволны проходят через пылевые облака, закрывающие большую часть диска Млечного Пути. Измеряя величину доплеровского смещения длины радиоволн, ученые определили характер движения и распределения газовых облаков, что дало возможность составить карту спиральных рукавов Млечного Пути. В результате детектирования сильных радиосигналов в плоскости Галактики были обнаружены молекулярные облака, состоящие из окиси азота и углерода; известно, что радиоволны определенной длины соответствуют таким молекулам.

Впоследствии было обнаружено множество других источников радиоизлучения, включая пульсары, квазары и сверхновые. Тот факт, что количество внегалактических источников радиоизлучения увеличивается с расстоянием, породил сомнение в теории стабильного состояния Вселенной и привел к открытию квазаров.

См. также статьи «Электромагнитное излучение», «Пульсар», «Квазар», «Радиотелескопы», «Красное смещение», «Сверхновая».

РАДИОТЕЛЕСКОПЫ

Радиотелескоп – астрономический инструмент, предназначенный для исследования небесных тел в диапазоне радиоволн. Простой рефлекторный поворотный радиотелескоп состоит из большого параболического зеркала с антенной в центральной точке. Когда зеркало направлено на источник радиоизлучения в космосе, радиоволны отражаются от него на антенну и создают сигнал, который является производной от интенсивности радиоволн, создаваемых источником. Сигнал, поступающий с антенны, проходит через мощный усилитель, который, в свою очередь, направляет усиленный сигнал в компьютер для анализа и записи. Зеркало обычно состоит из проволочной сетки, более легкой, чем металлические листы, и столь же эффективной в качестве отражателя радиоволн при условии, что расстояние между отдельными элементами сетки составляет менее 1/20 длины измеряемых радиоволн. Усилитель должен увеличивать мощность сигнала от источника радиоизлучения, не усиливая фоновый шум, или «шипение», обусловленное локальными радиоточками и случайным движением электронов в компонентах самого усилителя. Фоновый шум устраняется путем усреднения сигнала через последовательные короткие интервалы.

Диаметр зеркала определяет область сбора, поэтому для обнаружения более слабых источников необходимы зеркала большего размера. Кроме того, диаметр зеркала определяет разрешение телескопа или степень детальности его показаний. Два источника, расположенные поблизости, могут быть определены как один источник, если диаметр зеркала слишком мал, поскольку дифракция слишком сильно размывает изображение источников. Лоуэлловский радиотелескоп в Чешире (Англия) обладает зеркалом диаметром 78 м с разрешением 0,2° для радиоволн длиной 21 см. Радиотелескоп Айкибо в Пуэрто-Рико представляет собой 300-метровое фиксированное вогнутое зеркало, установленное в естественном понижении рельефа местности.

Благодаря соединению отдельных телескопов удалось значительно повысить их разрешение. В целом, разрешение кратно расстоянию между отдельными телескопами, но лишь при условии, что телескопы расположены вдоль одной линии.

См. также статьи «Радиоастрономия», «Телескопы 3».

РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Существуют очень веские научные свидетельства в поддержку теории, согласно которой Вселенная расширяется в результате первичного взрыва, создавшего пространство и время примерно 12 млрд. лет назад. По мере расширения Вселенной, которое продолжается и теперь, формировались галактики, постепенно отдалявшиеся друг от друга. Известно, что скорость разбегания наиболее далеких галактик приближается к скорости света.

Расширение Вселенной было открыто в 1929 году американским астрономом Эдвином Хабблом. На основе своих наблюдений он доказал, что далекие галактики отдаляются от нас со скоростью пропорциональной расстоянию. Это утверждение, известное как закон Хаббла, можно сформулировать в следующем уравнении: для галактики, отдаляющейся на расстояние d, ее скорость отдаления ν = Hd, где Н – постоянная Хаббла.

С 1 929 года были проведены измерения расстояния и скорости для многих галактик, что подтвердило правильность закона Хаббла и позволило более точно вычислить значение Н. Теперь считается, что величина постоянной Хаббла составляет примерно 20 км/с на миллион световых лет.

Закон Хаббла подразумевает, что Вселенная расширяется, поэтому чем дальше находится галактика, тем быстрее она отдаляется от нас. Расширение Вселенной можно объяснить теорией Большого Взрыва и другой теорией, известной под названием теории стабильного состояния, предполагающей, что вещество постоянно создается в пространстве между галактиками и при этом расталкивает их в стороны. Однако открытие космического микроволнового фонового излучения можно объяснить лишь в том случае, если излучение появилось в результате Большого Взрыва, так что теория стабильного состояния была отвергнута.

До сих пор неизвестно, замедлится ли в будущем расширение Вселенной и она начнет сжиматься или же продолжит расширяться вечно. Необходимо определить среднюю плотность Вселенной; если она превзойдет величину, известную как критическая плотность, обратный процесс неизбежен.

См. также статьи «Большой Взрыв», «Космическое микроволновое фоновое излучение», «Закон Хаббла».

РЕТРОГРАДНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Ретроградным движением внешней планеты называется ее возвратное движение через созвездия ночного неба в определенный период времени до и после противостояния. Внешняя планета обычно постепенно движется с запада на восток через созвездия, каждую следующую ночь появляясь немного восточнее относительно созвездия, в котором она находится. Движение в восточном направлении наблюдается потому, что планета постепенно движется вокруг Солнца по своей орбите против часовой стрелки при наблюдении из Северного полушария. Однако, поскольку планета движется по своей орбите медленнее, чем Земля, наша планета в конце концов догоняет ее, а затем перегоняет в период противостояния. Эффект «обгона» приводит к тому, что для наблюдателя планета начинает двигаться в противоположном направлении. Однако, когда Земля продвинется по своей орбите значительно дальше точки противостояния, ретроградное движение останавливается и сменяется нормальным движением в восточном направлении.

Ретроградное движение Марса происходит каждые 26 месяцев и длится в целом от двух до трех месяцев. Поскольку орбита Марса не круговая, наиболее благоприятное противостояние с Марсом возникает при наименьшем расстоянии до Земли. Юпитер находится в противостоянии каждые 13 месяцев и его ретроградное движение менее заметно, чем у Марса, так как расстояние до Земли в момент противостояния почти в 8 раз больше.

Птолемей, александрийский астроном, живший во II веке нашей эры, изобрел модель планетного движения, которая успешно объясняла ретроградное движение внешних планет с помощью эпициклов. Птолемеевская модель пользовалась общим признанием более 1 400 лет, но в конце концов она была отвергнута в пользу коперниковской модели Солнечной системы.

См. также статьи «Коперник», «Орбиты планет», «Планетарная модель Птолемея».

САТУРН 1: ПЛАНЕТА И ЕЕ СПУТНИКИ

Сатурн – вторая по величине планета Солнечной системы. Его диаметр в 9,5 раз превышает диаметр Земли. Среднее расстояние от Сатурна до Солнца 9,5 астрономических единиц. Полный оборот вокруг Солнца он совершает за 29,5 лет. Его кольцевая система находится в экваториальной плоскости планеты и простирается на расстояние, вдвое превышающее ее диаметр. Кольца отражают солнечный свет, поэтому блеск планеты достигает максимума, когда кольцевая система расположена «лицом» к Земле. При наблюдении Сатурна с помощью телескопов обнаружилось присутствие светлых и темных поясов, параллельных экватору планеты, хотя и не так четко выраженных, как пояса Юпитера.

Сатурн совершает полный оборот вокруг своей оси каждые 10 часов, поэтому его экваториальный диаметр примерно на 20 % больше полярного. Считается, что атмосфера планеты, состоящая на 90 % из водорода и на 10 % из гелия при температуре -180 °C, расположена над сферой жидкого водорода со сравнительно небольшим плотным ядром в центре.

Титан, самый крупный из 18 известных спутников Сатурна, [28]28
  В 2001 году у Сатурна были обнаружены! еще 12 спутников. Общее число известные на сегодняшний день спутников Сатурна достигло 30.


[Закрыть]обращается вокруг планеты с периодом 15 суток на среднем расстоянии в 10 раз превышающем диаметр планеты. В его атмосфере преобладают азот и метан при температуре около –168 С; атмосфера очень плотная, оранжевого оттенка. [29]29
  Больше сведений о Титане ученые предполагают получить в 2004 г., когда космический зонд, названный в честь Христиана Гюйгенса, открывшего Титан в 1655 г., совершит управляемую посадку на поверхности спутника.


[Закрыть]За исключением Тефии, [30]30
  Иногда употребляются другие названия Тефии: Фетида, Тефис, Тетис.


[Закрыть]Дионы, Реи и Япета, диаметр всех остальных спутников значительно меньше 1/4 диаметра Титана. Известно, что одно полушарие Япета светлее другого. Темная сторона спутника обращена в направлении его движения, поэтому Япет можно видеть с Земли, лишь когда он находится к западу от Сатурна и удаляется от Земли.

См. также статьи «Планеты», «Орбиты планет».