Что изучает астрономия какие этапы в развитии астрономии можно выделить
Астрономия
Астрономия полезна потому, что она возвышает нас над нами самими; она полезна потому, что она величественна; она полезна потому, что она прекрасна. Именно она являет нам, как ничтожен человек телом и как он велик духом.
Анри Пуанкаре
Что такое астрономия?
Это наука, которая изучает Вселенную. А именно её движение, порядок и устройство. Помимо этого она занимается изучением происхождения и развития небесных тел и систем. Проще говоря, астрономия занимается исследованием космоса, планет и других объектов.
Правила астрономии основаны на наблюдениях и исследовании окружающего мира.
Как появилось понятие астрономия
Понятие астрономия возникло в Древней Греции. Ещё в то время, когда Пифагор и Аристотель начали изучать Вселенную.
Считается, что произошло понятие астрономия из древнегреческих слов астром-звезда и номос-закон. Получается, что переводится оно как звёздный закон. Или, наоборот, закон о звёздах.
Пифагор и Аристотель
Что изучает астрономия
Предметом изучения астрономии является целая Вселенная. Соответственно, сюда относятся все её объекты и системы.
Возникает вопрос: какие именно объекты и явления изучает астрономия? Разумеется, это звёзды, планеты, метеоры и кометы. Вдобавок, астрономия занимается исследованием галактик, туманностей и всего, что расположено в космическом пространстве.
Проще говоря, космос и есть предмет изучения астрономии.
Когда появилась наука
На самом деле, астрономия возникла раньше других наук. Действительно, это одна из самых древних наук.
Хотя какой-то конкретной даты образования астрономии назвать не удастся. Потому что зарождалась она очень давно. Приблизительно в III-II веках до нашей эры.
Необходимость в изучении окружающего мира появилась у наших предков с потребностью к выживанию. Связано это, в первую очередь, со способностью ориентирования на местности. Также на наблюдениях создавались принципы земледелия. Уже в те далёкие времена люди учились отсчитывать время. Все знания использовались во многих сферах деятельности человека. Пожалуй, начиная от базовых потребностей, таких как пропитание, одежда. И заканчивая расширением кругозора и удовлетворением своего любопытства.
Античная астрономия
Принято считать, что основоположником науки является учёный Гиппарх. Ведь он один их первых, кто рассчитал движение Солнца и Луны. Вообще-то, он и описал их. Кстати, Гиппарх ввёл разделение звёзд на шесть классов, основываясь на их яркости. Между прочим, эта классификация актуальна до сих пор.
Задачи астрономии
Как и любая другая наука, астрономия преследует свои цели и задачи.
Сейчас выделяют три главные задачи:
1) изучение положений и движения небесных тел, а также определение их форм и размеров;
2) изучение строения и структуры небесных тел;
3) исследование образования, развития и будущего небесных тел.
Раньше астрономия больше основывалась на философских взглядах. Теперь же, с развитием технологий это более точная наука. Безусловно, сегодня она тесно переплетается с математикой, физикой, химией и биологией. Несомненно, философия также не исключена из основ астрономии.
В чём состоит основная цель астрономии? Вероятно, что вы уже поняли её.
Указанная нами фундаментальная наука нацелена на изучение и исследование явлений и объектов Вселенной. Разумеется, для того, чтобы понять саму суть Вселенной. Узнать структуру и особенности.
Человечество мечтает постичь её тайны и загадки. Учёные пытаются объяснить, как всё образовалось. Более того, все хотят выяснить, что нас ждёт в будущем. Доискаться до истины и получить истинное представление о мире.
Благодаря астрономии мы уже многое узнали. В дальнейшем, можно с уверенностью сказать, нас ждёт еще много нового. Ведь прогресс не стоит на месте. Без сомнения, наука развивалась, развивается и будет развиваться.
А пока, до скорых встреч!
История астрономии
Люди не имели представления о правильном размере планет и их расстоянии в пространстве, а также о космических объектах в целом. Греки думали, что Атлант держал планету на своих плечах. Многие другие народы верили, что земля — это гигантская доска, плавающая в море.
Астрономия — вероятно, самая старая из всех существующих наука. На сегодняшний день доступны истоки астрономических знаний, что изучать астрономию стали еще около 6000 лет назад. Первые астрономические открытия относятся к периоду древнейших цивилизаций:
Но они были не единственными и не первыми. Недавние исследования показали, даже в Западной и Центральной Европе люди изучали основы астрономии уже за 4−2 тысячи лет до нашей эры.
В качестве примера можно вспомнить об астрологическом круге в Стоунхендже, Солсбери, на юге Англии. Другие астрологические структуры встречаются в большом количестве в Англии, Франции, Испании, Германии и Польше.
В чем состояли особенности астрономии в то время? Она была ориентирована на решение повседневных потребностей человека. Люди зарабатывали на жизнь фермерством и нуждались в прогнозе для сбора урожая. Ученые в то время наблюдали восходы, закаты и отслеживали взаимосвязи с Луной. Они искали предельные значения, когда солнце восходит и занимает самое высокое положение в небе. В течение месяца они искали похожие самые низкие и самые высокие позиции и отмечали эти точки камнями или каменными структурами. Появились такие понятия:
Уже за 3−2 тысячи лет до нашей эры цивилизации того времени очень точно знали продолжительность года. В Китае он был установлен на уровне 365,25 дня. Чтобы цифра была круглая, был установлен високосный год один раз в четыре года.
Начало греческой астрономии приходится на период с 7 по 6 ст. до н. э. Греки были первыми, кто создал понятие о космосе, то есть Вселенной. Они были первыми, кто определил пространство и все в нем. Было решено, что Земля является центром мира, а другие планеты вращаются вокруг. Такой подход называется геоцентризм.
Первым, кто сказал, что все вращается вокруг Земли, был греческий астроном и математик Птолемей. Эта теория сохранялась даже в Средние века, несмотря на несоответствия, которые некоторые астрономы уже измерили. Только в 15-м и 16-м веках возник вопрос о размерах и форме Земли. В то время некоторые астрономы уже высказали неправильные представления о том, что Земля является центром мира.
Только в 16 веке польский астроном и математик Николай Коперник (1473−1543) измерил движения небесных тел и высказал фундаментальную мысль, что Солнце является центром нашей системы созвездий. Так возник гелиоцентризм. Он дал три ключевые идеи:
Эта теория противоречила принятой, и именно этот астроном опередил время и высказал революционный взгляд на мир. Другие астрономы следили за его работой, но немногие достигли таких достижений в астрономии, кроме Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна.
Галилео Галилей (1564−1642) подтвердил взгляд Коперника при помощи своего нового телескопа. Он создал теорию движения планет, в которой также рассматривал движение Земли. Джордано Бруно предположил, что Солнце — одна из многих звезд во Вселенной.
В это время идеи мира, где Земля является центром Вселенной, были разрушены, и людям пришлось принять новую истину. Вселенная бесконечна, а Земля — лишь одна из многих планет, и она вращается вокруг Солнца.
Именно раздел гелиоцентризм является отцом современной физики и астрономии.
Определение законов Вселенной
Исаак Ньютон (1643−1727) смог определить окончательные математические формулы для общей теории гравитации. Он знал, что не было никакой разницы между силой, которая притягивала камень к Земле, и силой, которая удерживала Луну на ее орбите вокруг Земли. Он нашел основной закон гравитации, согласно которому любые два тела действуют друг на друга с силой, которая прямо пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна их квадрату расстояния.
Закон гравитации, наряду с тремя другими законами (принцип инерции, принцип ускорения и принцип действия и реакции), стал достаточной основой для объяснения и расчета всех движений во Вселенной. Таким образом, Вселенная полностью связана гравитацией.
Альберт Эйнштейн (1879−1955) смог изменить взгляд на мир физики. Следствием его теории относительности стало другое понимание принципа распространения света. Между 1905 и 1915 годами Альберт Эйнштейн написал специальную теорию, в которой он представил конечную скорость света и общую относительность гравитации, времени и пространства в больших измерениях.
Динамика современной науки
В 1929 году Эдвин Хаббл изучил далекую галактику и обнаружил доказательства расширения Вселенной. Тот факт, что объекты раздвигаются, говорит о том, что в прошлом объекты были очень близки друг к другу, что породило идеи о Большом взрыве, а также месте и времени, когда Вселенная была бесконечно мала и плотна. В начале 20-го века была создана квантовая теория поведения элементарных частиц.
С современных времен до настоящего времени астрономия чрезвычайно выросла, появилось множество новых задач, разделов и областей исследований.
Развитие других дисциплин было связано с развитием технологий и новыми ролями, отводимыми влиянию космоса. Например, радиоастрономия нашла свое применение в 1930-х годах, когда Карл Гуте Янский обнаружил радиоизлучение из центра нашей Галактики при исследовании источников шума, мешающих радиосвязи. Атмосфера Земли эффективно поглощает многие длины волн, поэтому гамма- и рентгеновские наблюдения могут заноситься в таблицы только с помощью стратосферных воздушных шаров, а значительное развитие произошло только с появлением космонавтики.
Еще более экзотичным является схема наблюдения за частицами, отличными от электромагнитного излучения. Предметом наблюдения нейтринной астрономии, как следует из названия, являются нейтрино. Используются методы и приемы из раздела ядерной физики, поскольку в космических лучах есть частицы, которые на много порядков превышают параметры, которых можно достичь при использовании традиционных ускорителей.
Космология изучает Вселенную в целом и особенно ее происхождение, текущее и будущее, составляет прогнозы и перспективы развития. Астробиология имеет дело с возможностями существования иной жизни во Вселенной. Звездная астрономия акцентируется на работе со звездами, включая Солнце, а галактическая — исследует структуру, компоненты и эволюцию галактик, включая нашу. Планетарные науки исследуют планеты в нашей солнечной системе. Метеорная астрономия занимается изучением движения и других свойств метеоров и метеоритов.
Можно ожидать, что современное поколение застанет новые ошеломляющие открытия, которые будут способны перевернуть традиционные общепринятые представления об устройстве мира.
История астрономии начинается в самые ранние времена. Можно смело утверждать, что астрономия является одной из древнейших наук. Важнейшим практическим применением астрономических знаний была та существенная помощь, которые они могли оказать при ориентации на местности.
Астрономия и астрология
Уже в цивилизациях Междуречья и Древнего Египта в 4 тыс. до н. э. люди занимались астрономией. Египетские жрецы и древнекитайские астрономы уже во II тыс. до н. э. научились предсказывать затмения Луны и Солнца. В дальнейшем крупные достижения в области астрономии были достигнуты в Древней Греции.
Изначально астрономы считали целью своей науки описание движения космических тел в небесах. В их число входили Солнце, Луна, звезды и планеты. В древности астрономия была разделена на два направления. Одно из них занималось воздействием астрономии на человеческую жизнь. Оно известно как астрология. А другое сосредоточилось на создании теоретических математических моделей, способных описывать движение небесных тел и позволяющих предвидеть их положение в будущем.
Календарь
Около 3000 г. до н. э. астрономические знания были использованы при создании календаря, в котором год делился на 365 суток. В ту эпоху в шумерской цивилизации в Междуречье созвездия получили свои названия. До наших дней дошли вавилонские астрономические тексты, древнейшие из которых относятся к XVIII-XVII вв. до н. э. В V в. до н. э. вавилонские астрономы ввели знаки зодиака. В Древней Греции крупных успехов в своём развитии астрономия достигла уже в VI в. до н. э. Астрономы Древней Греции умели применять геометрические методы для описания движения космических тел.
Космологические системы Античной эпохи и Средневековья
Другим важнейшим достижением Платона было создание им научной школы, воспитание достойных учеников. Среди них были Евдокс из Книдос. Они разработали модель Вселенной, согласно которой она состоит из системы сфер, движущихся вокруг Земли. Землю в этой модели они поместили в центр Вселенной. Эта модель получила дальнейшее развитие в трудах Каллипса Кизикского, Птолемея и Аристотеля, увеличившего число сфер до 55. В дальнейшем она была известна как система Птолемея и считалась неоспоримой на протяжении почти всего Средневековья. Но ещё в античную эпоху Аполоний Перг (III в. до н. э.) и Гиппарх ( II в. до н. э.) первыми стали создавать модели, в которых Земля обращается вокруг Солнца.
В эпоху раннего Средневековья центром развития наук, в том числе и астрономии стали исламские страны. Арабские астрономы опирались на достижения, сделанные их греческими и римскими предшественниками.
Революция в астрономию в эпоху Возрождения
В Европе астрономия наряду с другими науками начала бурно развиваться в эпоху Возрождения и Великих географических открытий. Многие достижения астрономов античности в Западной Европе стали известны, благодаря сохранившим сведения о них арабам. В эпоху Великих географических открытий в астрономии произошла настоящая революция. Освоение океанских торговых путей требовало более точных астрономических методов ориентирования в открытом море. В результате этой революции в астрономии систему небесных сфер Птолемея сменила гелеоцентрическая система Коперника.
Польский астроном Коперник в 1543 г. издал в немецком городе Нюрнберге книгу «О вращении небесных сфер», существенно повлиявшей на астрономические представления европейцев. В том же году Коперник скончался. В ту эпоху гелеоцентрическая модель Вселенной многими воспринималась как покушение на авторитет католической церкви и опасная ересь. Сторонники этой модели, самыми известными из которых были Галилео Галилей и Джордано Бруно подвергались жёстким гонениям и преследованиям. Галилею пришлось публично отречься от гелиоцентрической модели. А Джордано Бруно, который был её сторонником, а также выдвигал гипотезу о множественности обитаемых планет, в 1600 г. в Венеции был сожжён на костре.
Во второй половине XVI в. Тихо Браге, изучая движение комет сумел окончательно доказать несостоятельность модели небесных сфер. В конце жизни он плодотворно сотрудничал с Кеплером, который в дальнейшем продолжил развитие идей Тихо Браге.
Успехи астрономии в новое и новейшее время
В 1687 г. английский физик Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. Это открытие кардинальным образом повлияло и на астрономические представления о мироустройстве. Новый важнейший этап в развитии астрономии наступил в середине XIX в. В этот период астрономы получили возможность пользоваться методом спектрального анализа и фотографией, что позволило принципиально расширить пределы доступного для изучения пространства. Родилась новая наука астрофизика. В 40-х годах XX в. на её основе появилась радиоастрономия, а в 1957 г. – рентгеновская астрономии.
Дальнейшие успехи в развитие астрономии были связаны с освоением космического пространства. Важнейшими вехами в освоении космоса стали полёт первого искусственного спутника в 1957 г. и первый пилотируемый полёт на околоземной орбите в 1961 г. осуществлённые в СССР, а также высадка человека на Луну в 1969 г. произведённая космическим агентством США НАСА.
В настоящее время, благодаря работе мощных телескопов, размещённых на космической орбите, астрономы получили огромный материал для дальнейших плодотворных исследований. Одним из последних крупных достижений астрономов стало изучение планет в иных звёздных системах, на которых возможно существование жизни.
Предмет и задачи астрономии. Разделы астрономии. Основные этапы развития астрономии. Общее представление о масштабах и структуре Вселенной и физическом состоянии вещества.
Предмет и задачи астрономии. Разделы астрономии. Основные этапы развития астрономии. Общее представление о масштабах и структуре Вселенной и физическом состоянии вещества.
Предмет и задачи астрономии
• Астрономия – наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и образованных ими систем
• Астрономия исследует Солнце, звёзды, планеты и их спутники, кометы, метеоры, туманности, звёздные системы, вещество, заполняющее пространство между звёздами и планетами
1. Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы
2. Изучение строения небесных тел, исследование химического состава и физических свойств вещества в них
3. Решение проблемы происхождения и развития отдельных небесных тел и образуемых ими систем
Принято выделять три основных раздела:
1. астрометрию (Астрометрия изучает положение и движение небесных тел и Земли. У астрометрии две важные цели: 1. Установление системы небесных координат; 2. Получение параметров, наиболее полно характеризующих закономерности движения небесных тел и вращение Земли)
2. небесную механику (Небесная механика изучает движение небесных тел под действием тяготения, разрабатывает методы определения их орбит, позволяет рассчитать координаты на дальнейшее время (эфемериды), рассматривает движение и устойчивость систем естественных и искусственных небесных тел Раздел небесной механики, связанный с определением орбит и расчётом эфемерид, называют теоретической астрономией)
3. астрофизику (Астрофизика изучает происхождение, строение, химический состав, физические свойства и эволюцию как отдельных тел, так и их систем, вплоть до всей Вселенной в целом. Астрофизика подразделяется на практическую и теоретическую)
Основные этапы развития астрономии:
· 3 тыс. лет до н.э. (Египет) – по наблюдениям за появлением Сириуса довольно точно была определена продолжительность тропического года
· 2 тыс. лет до н.э. (Китай) – видимые движения Солнца и Луны были изучены до такой степени, что можно было предсказывать солнечные и лунные затмения
· II век до н.э., Гиппарх (Древняя Греция, Родос) составил первый каталог звёзд и создал геометрическую теорию эпициклов, которая легла в основу геоцентрической системы мира
· II век н.э., Птолемей (Древняя Греция, Александрия) – автор труда «Мегале Синтаксис», или «Альмагест»
· В средние века астрономия развивалась в основном в Средней Азии Эпоха великих географических открытий, промышленная революция и Реформация подтолкнули развитие астрономической науки в Европе
· Николай Коперник в труде «Об обращениях небесных сфер» (1543) разработал гелиоцентрическую систему мира Иоганн Кеплер установил законы движения планет (1609 – 1618)
· Галилео Галилей одним из первых использовал телескоп для астрономических целей (1609), открыл четыре спутника Юпитера (1610) Исаак Ньютон установил основные законы механики, а также закон всемирного тяготения (1686)
· XVII – XIX века – открытия новых планет, спутников, астероидов
· Середина XIX века и далее – спектральный анализ и фотографирование (в видимом диапазоне)
· XX век – астрофизика, СТО, ОТО, современная космология
· С 1940-х годов – радиоастрономия
· 1957-й – первый искусственный спутник
· 1961-й – первый полёт человека в космос
· 1969-й – высадка людей на Луну
· 1970-е – 1990-е – исследования Марса, Венеры, далёких планет
· 1990-е – 2000-е – космический телескоп им. Хаббла (Hubble Space Telescope), открытие планет у других Звёзд
Общее представление о масштабах и структуре Вселенной и физическом состоянии вещества
· Земля → Солнечная система → Галактика Млечный Путь (150 млрд. звёзд) → Местная группа галактик (более 50 галактик) → Местное сверхскопление галактик (около 30 тыс. галактик)
· В общем случае: Звёздная система → Скопление звёзд (10 – 100 тыс. звёзд) → Галактика (1 млрд. – 1 трлн. звёзд) → Местная группа галактик → Местное скопление галактик (1 тыс. – 10 тыс. галактик) → Местное сверхскопление галактик
· Скопления галактик располагаются вдоль границ огромных ячеек, подобных пчелиным сотам
· С Земли невооружённым взглядом можно наблюдать объекты, в основном принадлежащие нашей Галактике
· Среднее расстояние от Земли до Солнца – 150 млн. км, или 1 а.е.
· Внешняя граница облака Оорта (граница Солнечной системы)
· Расстояние до ближайшей (после Солнца) к нам звезды (α Центавра C, или Проксима) – 1.3 пк (парсека), 1 пк ≈ 3.26 световых года
· Наша Галактика состоит из более чем 150 млрд. звёзд и представляет собой «диск» диаметром 100 тысяч световых лет и толщиной 10 тысяч световых лет
· Ближайшая галактика – карликовая галактика в созвездии Большого Пса (CMa Dwarf), состоящая всего из 1 млрд. звёзд, находится на расстоянии 25 тысяч световых лет от Солнечной системы
· Ближайшая сверхгигантская галактика – Туманность Андромеды. Содержит около 1 трлн. звёзд и находится на расстоянии 2.54 млн. световых лет от Солнечной системы
· Самая удалённая галактика – IOK-1 – находится в созвездии Волосы Вероники на расстоянии 12.88 млрд. световых лет. Сформировалась через 750 млн. лет после Большого взрыва
· Наблюдаемая часть материи Вселенной в основном сосредоточена в звёздах (
90 %) и межзвёздной среде (
· Часть материи пребывает в форме поля (гравитационного, электромагнитного)
· По современным данным, только около 5 % Вселенной составляет обычная барионная (наблюдаемая) материя
· Около 23 % приходится на тёмную материю, небарионная компонента которой не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействиях
· И ещё 72 % составляет «тёмная энергия»
Эклиптика. Эклиптическая система координат. Движение Солнца по эклиптике. Аналемма. Суточное движение Солнца. Изменение со временем положений небесного экватора, эклиптики и точек весеннего и осеннего равноденствий.
• Измерения высоты Солнца в полдень (т.е. в момент его верхней кульминации) на одной и той же географической широте показали, что склонение Солнца δŸ в течение года изменяется в пределах от +23 0 26′ до –23 0 26′, два раза проходя через нуль.
• Прямое восхождение Солнца αŸ на протяжении года также постоянно изменяется от 0 до 3600 или от 0 до 24h.
• Рассматривая непрерывное изменение обеих координат Солнца, можно установить, что оно перемещается среди звёзд с запада на восток по большому кругу небесной сферы, который называется эклиптикой.
• Название эклиптика связано с затмениями (eclipse) Луны или Солнца, т.к. они происходят, когда Луна в день
новолуния или полнолуния пересекает круг эклиптики.
Эклиптическая СК
Основная плоскость – плоскость эклиптики
наклонена к плоскости
под углом ε = 23026′
1) ϒm = λ (эклиптическая
2) mM = β (эклиптическая
Изменение экваториальных координат Солнца при его движении по эклиптике
20-21 марта Солнце находится в точке ϒ, его склонение δŸ = 0 и
прямое восхождение αŸ = 0. В этот день (весеннего равноденствия) Солнце восходит точно в точке E и заходит в точке W. Максимальная высота центра Солнца над горизонтом в полдень этого дня (верхняя кульминация):
hŸ = 900 – φ + δŸ = 900 – φ
Затем Солнце сдвинется по эклиптике ближе к точке ε, т.е.
21-22 июня Солнце находится в точке ε, его склонение максимально δŸ = 23026′, а прямое восхождение αŸ = 6h.
В полдень этого дня (летнего солнцестояния) Солнце поднимается на максимальную высоту над горизонтом: hŸ = 900 – φ + 23026′
Т.о., в средних широтах Солнце НИКОГДА не бывает в зените Широта Минска φ = 53055′ Затем Солнце сдвинется по эклиптике ближе к точке ε, т.е. δŸ начнёт уменьшаться
Около 23 сентября Солнце придёт в точку ε, его склонение δŸ = 0, прямое восхождение αŸ = 12h.
Этот день (начало астрономической осени) называется днём осеннего равноденствия.
22-23 декабря Солнце окажется в точке ε’, его склонение минимально δŸ = – 23026′, а прямое восхождение αŸ = 18h. Максимальная высота над горизонтом: hŸ = 900 – φ – 23026′
Аналемма – положение Солнца на небе в одно и то же время суток в течение года. Форма аналеммы
зависит от двух факторов – угла наклона оси вращения планеты к плоскости эклиптики и формы (степени
Изменение экваториальных координат Солнца при его движении по эклиптике
• Изменение экваториальных координат Солнца в течение года происходит неравномерно.
• Склонение изменяется быстрее всего при движении Солнца вблизи точек равноденствий, и медленнее всего – вблизи точек солнцестояний.
• Прямое восхождение, наоборот, медленнее изменяется вблизи точек равноденствий, и быстрее – вблизи точек солнцестояний.
• Видимое движение Солнца по эклиптике связано с действительным движением Земли по своей орбите вокруг Солнца, а также с тем фактом, что ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости её орбиты, а составляет угол ε = 23º26′.
• Если бы ε = 0º, то на любой широте в любой день года день был бы равен ночи (без учёта рефракции и размера Солнца).
• Полярные дни, длящиеся от 24h до полугода и соответствующие ночи, наблюдаются за полярными
кругами, широты которых определяются условиями: φ = ±(90º – ε) = ± 66º34′
Изменение со временем положений небесного экватора, эклиптики и точек весеннего и осеннего равноденствий
• Положение оси мира и, следовательно, плоскости небесного экватора, а также точек ϒ и Ω не постоянно,
а периодически изменяется.
• Прецессия – предварение [равноденствий] (лат. praecessio aequinoctiorum).
• Вследствие прецессии земной оси ось мира описывает конус вокруг оси эклиптики с углом раствора
23,50 за 26 000 лет.
• Вследствие возмущающего действия планет кривые, описываемые полюсами мира, не замыкаются, а
стягиваются в спираль.
• Т.к. и плоскость небесного экватора, и плоскость эклиптики медленно изменяют свое положение в пространстве, то точки их пересечения (ϒ и Ω) медленно перемещаются к западу.
• Скорость перемещения (общая годовая прецессия в эклиптике) за год: l = 3600/26 000 = 50,26».
• Общая годовая прецессия в экваторе: m = l cos ε = 46,11».
• В начале нашей эры точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Овна, от которого и получила своё обозначение (ϒ), а точка осеннего равноденствия – в созвездии Весов (Ω). С тех пор точка ϒ переместилась в созвездие Рыб, а точка Ω – в созвездие Девы, но их обозначения остались прежними.
Практические задачи астрометрии. Определение всемирного времени. Поправка часов. Ход часов. Определение географической долготы. Определе ние географической широты и поправки часов. Абсолютные и относительные методы измерения экваториальных координат.
Практические задачи астрометрии:
• Определение точного времени
• Определение географических координат пунктов на поверхности Земли
• Измерение точных координат светил
Определение всемирного времени. Поправка часов. Ход часов. Определение географической долготы
Разность между временем T в какой-то момент по стандартной шкале и показаниями рабочих часов T’ в этот момент называется поправкой часов u: u = T – T’ или T = T’ + u
Изменение поправки часов за определённый промежуток времени называется ходом часов ω:
С помощью астрономических наблюдений определяется местное звёздное время (s), которое далее пересчитывается в среднее солнечное, т.е. в точное время (T): s = α + t = T = T’ + u или u = α + t – T’
Если отметить показания часов T’ в момент верхней кульминации (t = 0), то u = α – T’
Зная поправку часов u, определяют всемирное время (Universal Time, UT).
Из сравнения шкал всемирного и атомного времени определяют неравномерность вращения Земли
Определение географической долготы λ сводится к вычислению разности местного времени на данном географическом меридиане и времени гринвичского меридиана: λ = Tm – T0 = u – u0
Определение географической широты и поправки часов
1) Определение φ и u по измеренным зенитным расстояниям
cos z = sin φ sin δ + cos φ cos δ cos t и t = T’ + u – α (1)
Если для двух (или более) светил, для которых по Астрономическому ежегоднику известны α и δ, измерены z (или h) по звёздным часам в момент времени T’, то по (1) можно найти φ и u.
2) Определение φ и u в момент кульминации (t = 0 или 12h)
Для верхней кульминации к югу от зенита: φ = δ + z (2)
Для верхней кульминации к северу от зенита: φ = δ – z (3)
Для нижней кульминации: φ = 1800 – δ – z (4)
Т.о., по известному δ и измеренному z из (2) – (4) определяют широту
Поправка часов для верхней кульминации: u = α – T’ (5)
Поправка часов для нижней кульминации: u = α – T’ + 12h (6)
Абсолютные и относительные методы измерения экваториальных координат.
Абсолютный метод определения склонений
Измеряются зенитные расстояния (или высоты) незаходящей звезды в верхней и нижней кульминации:
zв.к. = δ –φ и zн.к. = 1800 – φ – δ Откуда: δ = 900 – ½ (zн.к. – zв.к.) и φ= 900 – ½ (zн.к. + zв.к.)
Т.е. определена широта места наблюдения и склонение одной звезды. Аналогичным образом находятся φ и δ для нескольких незаходящих звёзд, и значение φ усредняется. Далее по формулам (2) – (4) находятся склонения других звёзд (в т.ч. и заходящих).
Абсолютный метод определения прямых восхождений
ε ε’ – эклиптика, QQ’ – небесный экватор, ε – наклонение эклиптики к экватору (угол между плоскостями), mC – склонение центра Солнца δŸ (дуга на поверхности сферы), ϒm – прямое восхождение Солнца αŸ. Сферический треугольник ϒmC – прямоугольный, поэтому:
Вблизи дней солнцестояний (т.е. когда δŸ принимает экстремальные значения) проводят измерения δŸ, абсолютная величина которого = ε. Далее вычисляется αŸ и s = αŸ = T’Ÿ + u, т.е. поправка часов. Выбираются 30 – 40 ярких звёзд, равномерно расположенных вдоль эклиптики и небесного экватора, и которые можно наблюдать до или после наблюдений Солнца. Такие звёзды называются часовыми. При наблюдении часовых звёзд определяют их моменты прохождения через меридиан (кульминации): T’1, T’2, …, T’n.
При наблюдении Солнца определяется момент его прохождения через меридиан T’Ÿ и зенитное расстояние в этот момент zŸ. Далее вычисляется δŸ и αŸ, а также поправки и ход часов на каждый день наблюдения.
Для каждого дня наблюдения составляют уравнения для Солнца и часовых звёзд: αŸ = T’Ÿ + u, α1 = T’1 + u1, …, αn = T’n + un.
В уравнении для Солнца известны все величины, а в уравнениях для часовых звёзд – величины T’i и поправки часов: ui = u + ω(T’i – T’Ÿ). Т.о. можно определить прямые восхождения звёзд абсолютным методом:
В этом методе наблюдения Солнца необходимы для фиксации положения точки ¢ среди звёзд. С этой целью вместо Солнца можно наблюдать любую планету (в т.ч. и малую) Солнечной системы.
В относительных методах определение координат сводится к измерению разностей Δδ и Δα определяемых и
Теоретическое обеспечение и инструменты практической астрономии. Астрономические каталоги, карты и атласы звёздного неба. Угломерные инструменты: универсальный инструмент, секстант, меридианный круг, зениттелескоп, призменная астролябия.
• В астрономических каталогах содержаться средние координаты звезд, т.е. экваториальные координаты после того, как из них вычтены различные поправки (рефракция, аберрация и др.).
• Каталоги положений составляются на начало определённого года. На основании каталогов положений составляются фундаментальные каталоги, в которых, кроме экваториальных координат, указывается собственное движение звезды, параллаксы и другие данные.
• Первый каталог (более 850 звёзд) был составлен Гиппархом во II веке до н.э.
• Общий каталог Босса (General Catalog, GC) был создан Л. Боссом в 1937 г. И содержит 33 342 звёзд до 7m.
• С помощью радиоастрономических наблюдений была создана новая система привязки системы отсчёта небесных координат к очень удалённым, т.е. устойчивым радиоисточникам (International Celestial Reference System, ICRS).
• Специальные космические аппараты («Гиппаркос», HIPPARCOS, 1989–1993) позволили измерить с точностью до 0,001″ координаты, собственные движения и параллаксы 118 218 объектов (каталог Гиппаркос). Каталог Гиппаркос обеспечивает систему координат ICRS, т.е. привязан к внегалактическим объектам.
• В каталоге Тихо содержаться аналогичные данные для более чем 2 000 000 объектов с точностью от 0,007 до 0,025″.
• Кроме звёздных каталогов, имеются каталоги других небесных объектов
• «Каталог туманностей и звёздных скоплений» («Catalogue des Nébuleuses et des Amas d’Étoiles») был составлен Ш. Мессье (Charles Messier) в 1781 г. и включал 103 объекта. Обозначения в этом каталоге: M 31 – Туманность Андромеды
• «Новый общий каталог туманностей и звёздных скоплений» («A New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars, being the Catalogue of the late Sir John F.W. Herschel, Bart., revised, corrected, and enlarged», NGC) составлен Й. Дрейером (John Louis Emil Dreyer) в 1888 г. и содержал данные о 7 840 объектах. К настоящему времени издано два дополнения (IC I и IC II), в которых содержатся данные ещё о 5 386 объектах.
Обозначения: NGC 224 – Туманность Андромеды
• Существуют каталоги и других небесных объектов – двойных звёзд, рентгеновских и радиоисточников и др.
Карты и атласы звёздного неба
• «Уранография: описание всего звёздного неба» («Uranographia: totum caelum stellatum») — атлас звёздного неба Яна Гевелия (Johannes Hevelius). Издан в 1690 г.
• Атлас включает 56 карт. На картах с точностью в одну угловую минуту нанесены 1564 звезды по каталогу Гевелия. Атлас Гевелия достиг точности одного порядка с бумажными картами и атласами нашего времени.
• Универсальный инструмент (УИ) – один из основных угломерных инструментов, позволяющий в любой точке земной поверхности измерять горизонтальные координаты светила.
• УИ состоит из астрономической трубы, которая может поворачиваться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей – горизонтальной и вертикальной. Углы поворота вокруг одной и второй оси отсчитываются по двум кругам (или лимбам) – вертикальному и горизонтальному.
• УИ используется почти исключительно как переносный инструмент в различных экспедициях для определения географических координат места наблюдения и азимутов земных предметов.
• Если в УИ вертикальный круг разделён более точно, чем горизонтальный, то такой инструмент называется вертикальным кругом. Если наоборот – то теодолитом.
• Секстант (секстан) — это измерительный инструмент, используемый для измерения величины угла между двумя видимыми объектами.
• Обычно секстант используется для измерения высоты астрономического объекта над горизонтом с целью
Определения географических координат.
• Меридианный круг (МК) состоит из астрономической трубы, которая может вращаться только вокруг горизонтальной оси. Эта ось лежит на жёстко закрепленных основах.
• Горизонтальная ось МК должна быть направлена точно с востока на запад. Тогда труба будет располагаться и вращаться точно в плоскости небесного меридиана.
• МК позволяет измерять зенитные расстояния светил в момент кульминации, т.е. определять склонения
• Если отметить по часам момент кульминации, то с помощью МК можно определить и прямое восхождение
• Зенит-телескоп служит для точного измерения малых разностей зенитных расстояний вблизи зенита.
• Систематические наблюдения на зенит-телескопах ведутся для определения точных значений географической широты места наблюдения с целью изучения движения полюсов Земли.
Призменная астролябия
Астрономо-геодезический инструмент для определения широты места и поправки часов по наблюдаемым моментам прохождения звёзд в различных азимутах через некоторый альмукантарат,
Призменная астролябия может быть использована также для определения экваториальных координат звёзд и планет.
Перед объективом 3 горизонтально расположенной астрономической трубы (для компактности оптическая ось трубы изломана с помощью двух зеркал 4 и 5) помещается равносторонняя стеклянная призма 1. Под
призмой устанавливается ртутный горизонт 2. Свет от наблюдаемой звезды, падая на верхнюю грань призмы и преломляясь, даёт её изображение в фокальной плоскости объектива; второе изображение этой же звезды получается от её света, проходящего через нижнюю грань призмы после отражения от ртутного горизонта.
Вследствие видимого суточного движения звезды оба изображения приближаются друг к другу и совпадают; в момент прохождения звезды через альмукантарат с зенитным расстоянием, близким к 30°, изображения
рассматриваются в окуляр 6. Для регистрации момента микрометр инструмента имеет специальную призму Волластона 7, перемещая которую микрометрическим винтом, снабженным контактным барабаном, записывают на хронографе серию моментов, что позволяет повысить точность окончательного результата.
10. Видимые движения планет на фоне звёзд. Системы мира Клавдия Птолемея, Николая Коперника и Тихо Браге. Конфигурации планет. Синодические и сидерические периоды обращения планет. Гелиоцентрические и геоцентрические долготы. Великие противостояния Марса. Парад планет.
Видимые движения планет на фоне звёзд
• По видимым движениям планеты делятся на две группы – нижние, или внутренние (Меркурий и Венера) и верхние, или внешние (все остальные, кроме Земли).
• Нижние планеты не отклоняются далеко от Солнца (Меркурий – на 18-280, Венера – на 45-480). Верхние планеты отходят от Солнца на 1800.
• Видимые движения нижних планет происходят следующим образом. В момент наилучшей вечерней видимости Венера находится в восточной элонгации (в наибольшем угловом удалении от Солнца к востоку). Затем Венера движется попятным движением (с востока на запад) и приближается к Солнцу, проходит между Солнцем и Землёй (нижнее соединение). Затем Венера продолжает двигаться попятным движением и достигает западной элонгации (момента наилучшей утренней видимости), где нижняя планета останавливается. Далее планета двигается прямым движением (с запада на восток), проходит за Солнцем (верхнее соединение) и опять достигает восточной элонгации.
Система мира Птолемея
Для объяснения видимых движений Солнца, Луны, звёзд и планет древнегреческий учёный Клавдий Птолемей
(около 87–165 н.э.) предложил в труде «Альмагест» геоцентрическую систему мира:
1. Земля шарообразна и находится в центре Вселенной;
2. Земля неподвижна;
3. Все небесные тела движутся вокруг Земли;
4. Движение небесных тел происходит по окружностям с постоянной скоростью.
Суточное движение всех светил объяснялось вращением Вселенной как одного целого вокруг неподвижной Земли
Система мира Коперника
В труде «Об обращениях небесных сфер» (1543) Николай Коперник (1473–1543) разработал гелиоцентрическую систему мира:
1. В центре мира находится Солнце;
2. Шарообразная Земля вращается вокруг своей оси и это вращение объясняет кажущееся суточное движение всех светил;
3. Земля, как и другие планеты, обращается вокруг Солнца по окружности, и это обращение объясняет видимое движение Солнца среди звёзд;
4. Все движения представляются в виде равномерных круговых движений;
5. Кажущиеся прямые и попятные движения планет принадлежат не им, а Земле.
В результате анализа наблюдательных данных Коперник пришёл к выводу, что все планеты, в т.ч. и Земля, движутся вокруг Солнца примерно в одной плоскости. Луна движется вокруг Земли и, как спутник, вместе с Землёй – вокруг Солнца. Т.к. Меркурий и Венера (нижние или внутренние планеты) в видимых движениях
не отходят далеко от Солнца, то их орбиты расположены ближе к Солнцу, чем орбита Земли. Чем дальше внутренняя планета отходит от Солнца, тем больше радиус её орбиты. Остальные планеты (Марс, Юпитер и Сатурн – верхние или внешние планеты) обращаются вокруг Солнца на более далёком расстоянии, чем Земля. Чем медленнее движется внешняя планета, тем дальше она расположена от Солнца.
Система мира Тихо Браге
• В конце XVI-го века Тихо Браге предложил свою компромиссную гео-гелиоцентрическую систему мира, которая представляла собой комбинацию учений Птолемея и Коперника: Солнце, Луна и звёзды вращаются вокруг неподвижной Земли, а все планеты и кометы — вокруг Солнца.
• С расчётной точки зрения эта модель ничем не отличалась от системы Коперника, однако имела одно важное преимущество, особенно после суда над Галилеем: она не вызывала возражений у инквизиции.
• Прямое доказательство движения Земли вокруг Солнца появилось только в 1727 году (аберрация света), но фактически система Браге была отвергнута большинством учёных ещё в XVII веке как неоправданно и искусственно усложнённая по сравнению с системой Коперника-Кеплера.
V1 – нижнее соединение, V2 – верхнее соединение
V3 – западная элонгация, V4 – восточная элонгация
M1 – противостояние, M2 – соединение
M3 – западная квадратура, M4 – восточная квадратура
Синодические и сидерические периоды обращения планет
• Синодическим периодом обращения (S) планеты называется промежуток времени между двумя её последовательными дноимёнными конфигурациями.
• Сидерическим, или звёздным, периодом обращения (T) планеты называется промежуток времени, за который планета совершает один полный оборот вокруг Солнца.
• Сидерический период обращения Земли называется звёздным годом (TΔ).
• Непосредственно из наблюдений с Земли можно определить только TΔ и синодические периоды планет.
• Периоды S, T и TΔ связаны уравнением синодического движения: ω = 3600/ T – угловое смещение планеты за сутки ωΔ = 3600/ TΔ – угловое смещение Земли за сутки Δω = |ω – ωΔ| – видимое угловое смещение планеты за сутки
Гелиоцентрические и геоцентрические долготы
• C – Солнце, • P – внутренняя планета • Т – Земля
• L – гелиоцентрическая долгота Земли
• l – гелиоцентрическая долгота планеты
• λ – геоцентрическая долгота планеты
Великие противостояния Марса
• Великие противостояния Марса – эпохи наиболее тесного сближения Земли и Марса, предоставляющие астрономам возможность детально исследовать эту планету с помощью телескопов. Великие противостояния наступают регулярно, с промежутком в 15 или 17 лет и в последние столетия неизменно приносят ученым ценные открытия в изучении природы Марса. • Орбита Марса располагается следом за орбитой Земли. Оборот Земли по орбите происходит за год, а Марса – за 686,94 земных суток. • Противостояния Земли и Марса происходят в среднем через 780 суток. В период противостояния Марс близок к Земле и его поверхность удобнее всего изучать в телескоп. Если бы орбиты Земли и Марса были совершенно круглыми и лежали в одной плоскости, то все противостояния этих планет были бы одинаковы. Но орбиты планет немного наклонены друг к другу и эллиптичны. А поскольку время между ротивостояниями немного больше двух лет, то Земля за это время совершает чуть больше двух оборотов по орбите, а Марс – немного больше одного оборота. • Т.о., при каждом противостоянии эти планеты встречаются в разных точках своих орбит, приближаясь друг к другу на разное расстояние. • Если противостояние случается в период зимы (с января по март) то расстояние от Земли до Марса довольно велико, около 100 млн. км. Но если Земля сближается с Марсом в конце лета, когда Марс проходит перигелий своей орбиты, то его расстояние сокращается всего до 56–60 млн. км. Такие благоприятные для астрономических наблюдений противостояния называют великими. Противостояние тем благоприятнее, чем ближе оно приходится к 28 августа, так как в этот день Земля проходит ближе всего к перигелию орбиты Марса. • Самым знаменитым среди великих противостояний Марса считают случившееся в начале сентября 1877. Именно тогда американский астроном А. Холл открыл два спутника Марса – Фобос и Деймос. • Во время предыдущего великого противостояния (28 августа 2003) Марс приблизился к Земле на 55,79 млн. км – минимальное за последние два века расстояние. Следующее великое противостояние Марса произойдёт 27 июля 2018. В этот день расстояние до Марса составит 57,77 млн. км.
11. Основы механики планет и других небесных тел. Законы Кеплера. Параметры и элементы орбит. Прямая и обратная задачи астрономии. Закон всемирного тяготения и его роль в астрономии. Задача двух тел.
1. Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых (общем для всех планет) находится Солнце.
2. Радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равновеликие площади.
3. Квадраты сидерических (звёздных) периодов обращений планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их эллиптических орбит.
Параметры эллиптической орбиты
• F1 и F2 – фокусы, • O – центр
• ПО = ОА = a – большая полуось,
• П – перицентр (ближайшая точка орбиты небесного тела к
• А – апоцентр (наиболее удалённая точка орбиты небесного тела от силового центра)
• q = a(1 – e) – расстояние планеты от Солнца в перицентре
• Q = a(1 + e) – расстояние планеты от Солнца в апоцентре
• a = (q + Q)/2 – среднее расстояние планеты от Солнца (большая полуось)
Перицентры и апоцентры
• В орбитах планет Солнечной системы перицентр и апоцентр называют, соответственно, перигелий и афелий.
• В орбитах Луны и искусственных спутников Земли – перигей и апогей.
• В орбитах двойных звёзд — периастр и апоастр.
• В орбитах спутников других планет — перипланет и апопланет, а также иногда:
• периселений и апоселений — относительно Луны, • перигермесий и апогермесий —относительно Меркурия,
• перигесперий и апогесперий —относительно Венеры, • периарий и апоарий —относительно Марса,
• перийовий и апойовий—относительно Юпитера, • перикроний и апокроний —относительно Сатурна,
• периураний и апоураний —относительно Урана, • перипосейдий и апопосейдий —относительно Нептуна,
• перигадий и апогадий— относительно Плутона.
• Для окружности e = 0 (т.к. OF1 = 0).
• Орбиты планет Солнечной системы мало отличаются от круговых, т.е. эксцентриситеты их орбит невелики.
• Наименьший эксцентриситет у орбиты Венеры: e = 0,007.
• Наибольший – был у орбиты Плутона (e = 0,249), теперь – у орбиты Меркурия (e = 0,206).
• Эксцентриситет орбиты Земли: e = 0,017.
Второй закон Кеплера
• Площадь сектора F1P1P2, описанная радиусом-вектором планеты за время Δt вблизи перицентра, равна
площади сектора F1P3P4, описанной им за то же время Δt вблизи апоцентра.
• Т.к. дуга P1P2 больше дуги P3P4, то планета вблизи перицентра имеет скорость большую, чем вблизи
• Т.е. движение планеты вокруг Солнца неравномерно.
Третий закон Кеплера
• Квадраты сидерических (звёздных) периодов обращений планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их эллиптических орбит, или
• Если большие полуоси орбит выражать в единицах среднего расстояния Земли от Солнца (в а.е.), а периоды обращения планет – в земных годах, то для Земли aΔ = 1, TΔ = 1, и период обращения любой планеты вокруг
Солнца: 
Элементы орбиты
Движение планеты вполне определено, если:
• известна плоскость, в которой лежит её орбита,
• размеры и форма орбиты, \
• ориентирование орбиты в пространстве;
• момент времени, в который планета находится в определённой точке пространства.
Величины, определяющие орбиту планеты, называются
За основную плоскость, относительно которой пределяется положение орбиты, принимается плоскость эклиптики.
Две точки, в которых орбита планеты пересекается с плоскостью эклиптики, называются узлами – восходящим и нисходящим. Восходящий узел – тот, в котором планета пересекает эклиптику, удаляясь от её южного полюса.
Эллиптическую орбиту планеты определяют следующие шесть элементов:
вокруг Солнца в том же направлении, что и Земля.
2.Гелиоцентрическая долгота восходящего узла ♌, т.е. угол, отсчитываемый из центра Солнца от
наклонение i определяют положение плоскости орбиты в пространстве и направление движения планеты.
4.Большая полуось a орбиты, которая при заданной массе однозначно определяет сидерический период обращения планеты.
5.Эксцентриситет орбиты e.
6.Момент прохождения через перицентр t0.
Прямая и обратная задачи астрономии
• Основные задачи теоретической астрономии – вычисление эфемерид (прямая задача) и определение орбит (обратная задача).
• Определение видимых координат планет по элементам их орбит называется вычислением эфемерид, т.е. положений планет на любые моменты времени.
• Определение элементов орбит по координатам, полученным из наблюдений, называется
Закон всемирного тяготения и его роль в астрономии
• Каждые две частицы материи притягивают взаимно друг друга с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратн