Астрономія та її підрозділи

Астрономія

Астрономмія (грец. буфспн -- зірка і нпмпт -- закон) -- наука про Всесвіт, що вивчає рух, будову, походження та розвиток небесних тіл і їхніх систем. Астрономію поділяють на сферичну астрономію, практичну астрономію, астрофізику, небесну механіку, зоряну астрономію, позагалактичну астрономію, космогонію, космологію і ряд інших розділів.

Астрономія -- одна з найстарших наук, яка виникла з практичних потреб людства (передбачення періодичних явищ, відлік часу, визначення місця розташування на поверхні Землі тощо). Є докази, що ще доісторичні люди знали про основні явища, пов'язані зі сходом і заходом Сонця, Місяця і деяких зірок. Серед найдавніших письмових джерел зустрічаються описи астрономічних явищ, а також примітивні розрахункові схеми для передбачення часу сходу і заходу найяскравіших небесних тіл і методи відліку часу і ведення календаря. Теорії, які на основі розвинутих арифметики й геометрії пояснювали та передбачали рух Сонця, Місяця і яскравих планет, були створені в країнах Середземномор'я в останні століття дохристиянської ери і разом із простими, але ефективними приладами служили практичним цілям аж до епохи Відродження.

Народження сучасної астрономії пов'язують з відмовою від геоцентричної системи світу Птолемея (II століття) і заміною її геліоцентричною системою Ніколая Коперніка (середина XVI століття), з початком досліджень небесних тіл за допомогою телескопа (Галілео Галілей, початок XVII століття) і відкриттям закону всесвітнього тяжіння (Ісаак Ньютон, кінець XVII століття). XVIII-IXX століття були для астрономії періодом нагромадження даних про Сонячну систему, нашу Галактику і фізичну природу зірок, Сонця, планет і інших космічних тіл. Поява великих телескопів і проведення систематичних спостережень привели до відкриття того, що Сонце входить у величезну дископодібну систему з багатьох мільярдів зірок -- галактику. На початку XX століття астрономи виявили, що ця система є однією з мільйонів подібних їй галактик, і що усі вони розлітаються одна від одної, наче від сильного поштовху в далекому минулому. Відкриття інших галактик стало поштовхом для розвитку позагалактичної астрономії. Дослідження спектрів галактик дозволило Едвіну Хабблу в 1929 році виявити явище "розбігання галактик", яке згодом здобуло пояснення на основі загального розширення Всесвіту.

Науково-технічна революція XX століття мала надзвичайно великий вплив на розвиток астрономії в цілому й особливо астрофізики. Створення оптичних і радіотелескопів з високою роздільною здатністю, застосування ракет і штучних супутників Землі для позаатмосферних астрономічних спостережень призвели до відкриття цілого ряду нових видів космічних тіл: радіогалактик, квазарів, пульсарів, джерел рентгенівського випромінювання тощо. Були розроблені основи теорії еволюції зірок і космогонії Сонячної системи. Найбільшим досягненням астрофізики XX століття стала релятивістська космологія -- теорія еволюції Всесвіту в цілому.

Основні розділи астрономії

Астрометрія -- підрозділ науки астрономії, що вивчає небесні тіла в конкретні моменти часу.

Небесна механіка -- вивчає рух небесних тіл під впливом сили тяжіння та фігури рівноваги небесних тіл, що визначається силою гравітації та обертання. З'явилася небесна механіка лише у XVII столітті, коли стало можливим вивчення сил, що керують рухом небесних тіл.

Астрофізика -- вивчає фізичну природу небесних тіл тобто фізичний стан і хімічний склад небесних тіл, а також досліджує питання про джерела енергії, випромінюваної Сонцем і зорями.

Астрономія зірок -- вивчає будову і розвиток зіркових систем і міжзоряної матерії.

Фізична космологія -- займається вивченням найбільш спільних питань про будову та еволюцію Всесвіту, розглядає питання про утворення і розвиток небесних тіл, насамперед Сонячної системи. Космологія досліджує основні закономірності у Всесвіт Астрономічні спостереження

В астрономії, інформація в основному отримується від виявлення та аналізу видимого світла та інших спектрів електромагнітного випромінювання в космосі. Астрономічні спостереження можуть бути розділені відповідно до спостерігаємої області електромагнітного спектру. Деякі частини спектра можна спостерігати з Землі (тобто її поверхні), а інші спостереження ведуться тільки на великих висотах або в космосі (в космічних апаратах на орбіті Землі). Докладні відомості про ці групи досліджень наводяться нижче. радіоастрономія

Радіотелескопи Very Large Array в Сірокко, Нью-Мексико, США

Радіоастрономія -- це дослідження випромінювання з довжиною хвилі, більшою за один міліметр (приблизно). Радіоастрономія відрізняється від більшості інших видів астрономічних спостережень тим, що досліджувані радіохвилі можна розглядати саме як хвилі, а не як окремі фотони. Отже, порівняно легко виміряти як амплітуду, так і фазу радіохвилі, а це не так легко зробити на діапазонах коротших хвиль.

Хоча деякі радіохвилі випромінюються астрономічними об'єктами у вигляді теплового випромінювання, більшість радіовипромінювання спостерігається з Землі у вигляді синхротронного випромінювання, що виникає, коли електрони рухаються у магнітному полі. Крім того, деякі спектральні лінії утворюються міжзоряним газом, зокрема воднева спектральна лінія довжиною 21 см, що спостерігається в радіодіапазоні .

В радіодіапазоні спостерігається широке розмаїття космічних об'єктів, зокрема наднові зірки, міжзоряний газ, пульсари та активні ядра галактик.

Інфрачервона астрономія

Інфрачервоний космічний телескоп «Гершель»

Інфрачервона астрономія стосується досліджень, виявлення та аналізу інфрачервоного випромінювання (довжина хвилі більше, ніж червоне світло) в космосі. Не дивлячись, що довжина хвилі близька до довжини хвилі видимого світла, інфрачервоне випромінювання сильно поглинається атмосферою, та ще й атмосфера Землі виробляє значні інфрачервоні випромінювання. Тому обсерваторії по вивченню інфрачервоного випромінення повинні бути розташовані у високих та сухих місцях або в космосі. Інфрачервоний спектр є корисним для вивчення об'єктів, які є занадто холодними, щоб випромінювати видиме світло, таких, як планети і навколо зіркові диски. Промені в інфрачервоному діапазоні, можуть проникнути через хмари пилу, які блокують видиме світло, що дозволяє спостерігати молоді зірки в молекулярних хмарах і ядера галактик. Деякі молекули сильно випромінюють в інфрачервоному діапазоні, і це може бути використано для вивчення хімічних процесів в космосі, а також виявлення води в кометах.

Оптична астрономія

Історично оптична астрономія, (яку ще називають астрономією видимого світла) є найдавнішою формою дослідження космосу - астрономії. Оптичні зображення спочатку були намальовані від руки. Наприкінці ХІХ століття і більшої частини ХХ століття, дослідження проводилися на основі зображень, які здобувалися за допомогою фотографій зроблених на фотографічному устаткуванні. Сучасні зображення уже робляться з використанням цифрових детекторів, зокрема детектори на основі приладів із зарядним пристроєм (ПЗС). Хоча видиме світло само тягнеться в проміжку від приблизно 4000 Ангстрем до 7000 Ангстрем (400 нанометрів до 700 нанометрів), це ж обладнання, що використовуються на цих довжинах хвиль використовується також для дослідження деяких ближніх йому (по довжині)ультрафіолетових та ближніх йому (по довжині) інфрачервоних випромінювань. ультрафіолетова астрономія

Ультрафіолетова астрономія, як правило, використовується для детального спостереження в ультрафіолетових довжинах хвиль приблизно від 100 до 3200 Ангстрем (від 10 до 320 нанометрів). Світло на цих довжинах хвиль поглинається атмосферою Землі, тому дослідження на цих довжинах хвиль має бути виконане з верхніх шарах атмосфери або з космосу. Ультрафіолетова астрономія найкращим чином підходить для вивчення теплового випромінювання і спектральних ліній випромінювання від гарячих блакитних зірки (ОФ зірки), які є дуже яскравими в цій хвильовій групі. Це бувають дослідження синіх зірок в інших галактиках, та планетарні туманності, залишки найновіших, активні галактичні ядра. Однак, ультрафіолетове випромінювання легко поглинається міжзоряним пилом, і тому, при вимірюванні ультрафіолетового світла від об'єкта необхідно робити поправку на його гасіння в космічному середовищі.

Рентгенівська астрономія

Рентгенівська астрономія проводить вивчення астрономічних об'єктів в рентгенівському діапазоні. Зазвичай об'єкти випромінюють рентгенівське випромінювання завдяки:

синхротронному механізму (релятивіські електрони, що рухаються у магнітних полях)

теплове випромінювання від тонких шарів газу, нагрітих вище 107 K (10 мільйонів градусів Кельвіна - так зване гальмівне випромінювання);

теплове випромінювання массивних газових тіл, нагрітих вище 107 K (так зване випромінювання абсолютно чорного тіла).

Оскільке ренгенівське випромінювання поглинається атмосферою Землі, рентгенівські спостереження здебільшого виконують з орбітальних станцій, ракети або космічних кораблів. До відомих рентгенівських джерел у космосі належать: рентгенівські подвійні зорі, пульсари, залишки наднових, еліптичні галактики, скупчення галактик, а також активні ядра галактик.

Гамма-астрономія

Астрономічні гамма-промені є дослідження астрономічних об'єктів в найкоротшою довжиною хвиль електромагнітного спектру. Гамма-промені можуть спостерігатися безпосередньо з таких супутників, як Комптон гамма-обсерваторія або спеціалізовані телескопи, які називаються атмосферні телескопи Черенкова. Ці телескопи фактично не виявляють гамма-промені, безпосередньо, а виявляють спалахи видимого світла яке викидує гамма-опромінення й поглинається атмосферою Землі.

Більшість гамма-випромінюючих джерел фактично гамма-сплесків тих об'єктів, які виробляють тільки гамма-випромінювання протягом декількох мілісекунд до тисячі секунд, перш ніж розвіятися в просторі космосу. Тільки 10% від джерел гамма-випромінювання не є перехідними джерелами. До цих стійкий гамма-випромінювачів включають пульсари, нейтронні зірки і кандидатів на чорні дири в активних галактичних ядрах.

Астрономія полів не заснованих на електромагнітному спектрі

Окрім електромагнітного випромінювання, дещо можна спостерігати з Землі, коли воно виходять з дуже великих відстанів й потрпляє на нашу планету.

У нейтринної астрономії, астрономи використовують спеціальні підземні об'єкти такі, як SAGE, GALLEX і Каміока II/III для виявлення нейтрино. Ці нейтрино відбуваються головним чином з сонця чи зірок, але і від супернових. Космічні промені, що складаються з частинок дуже високої енергії, які можуть розпадатися або поглинаються, коли входять в атмосферу Землі, в результаті чого вловлюється каскад частинок. Крім того, деякі майбутні детектори нейтрино будуть також чутливі до нейтрино, коли ці космічні промені потрапляють до атмосфери Землі.

Гравітаційно-хвильова астрономія є новим напрямком в різновидді астрономії, яка прагне використовувати детектори гравітаційних хвиль для збору даних спостережень про компактні об'єкти. Кілька обсерваторій уже побудовані, наприклад, лазерний інтерферометр гравітаційною обсерваторією LIGO, але гравітаційні хвилі дуже важко виявити.

Планетарна астрономія має користь від безпосереднього спостереження у вигляді космічних кораблів і дослідницьких місій «по зразки й назад»(Sample Return). До них відносяться польоти місій з використанням датчиків; спускаємих апаратів, які можуть проводити експерименти на поверхні матеріалів чи об'єктів, й які дозволяють віддалене зондування матеріалів чи об'єктів, і місія Sample Return, що дозволяє прямі лабораторні обстеження.астрометрія і небесна механіка

Позагалактична астрономія: гравітаційне лінзування. Це зображення показує кілька блакитних петлеподібних об'єктів, які є багатократними зображеннями однієї галактики, розмноженими через ефект гравітаційної лінзи від скупчення жовтих галактик біля центру фотографії. Лінза створена гравітаційним полем скупчення, яке скривлює світлові промені, що веде до збільшення і спотворення зображення дальшого об'єкту

Один з найстаріших видів в астрономії, і в усіх науках, є вимір позиції небесних об'єктів. Історично, точні знання про позицію Сонця, Місяця, планет і зірок відіграє найважливішу роль у небесній навігації.

Ретельні вимірювання позицій планет, призвели до глибокого розуміння гравітаційних збурень, а також здатність визначати минуле і майбутнє положення планет з великою точністю, відомої як область небесної механіки. Зовсім недавно відстеження навколоземних об'єктів дозволає прогнозування їх зближення чи віддалення, а також можливістть потенційних зіткнень з Землею різних об'єктів.

Вимірювання зоряного паралаксу прилеглих зірок є основною базової лінії в космічні відстанях, яка використовується для виміру масштабів Всесвіту. Параллаксові вимірювання прилеглих зірок забезпечили абсолютний базовий рівень для визначення властивостей більш далеких зірок, бо їх властивості можуть бути зіставлені з ближніми. Вимірювання променевих швидкостей і власних рухів небесних тіл дає змогу показати кінематику цих систем по галактиці Чумацький Шлях. Астрометричні результати також використовуватися для вимірювання розподілу темної матерії в галактиці.

У 1990-их роках астрометричні методики вимірювання зоряних коливань були використані для виявлення великих планет позасонячних просторів на орбітах прилеглих зірок.

Астрономія в Україні

Кримська астрофізична обсерваторія. Великий сонячний телескоп

Першу в Україні астрономічну обсерваторію засновано у 1821 адміралом А. С. Грейсом. Обсерваторія була збудована у Миколаєві та мала призначення обслуговувати Чорноморський флот. Другою в Україні була обсерваторія Київського Університету, будівництво якої було закінчено у 1845 році. Потім було відкрито обсерваторії в Одесі (1871) та Харкові (1888), у 1900 створено обсерваторію Львівського Університету. У Сімеїзі (Крим) в 1908 році було організовано астрофізичний відділ Пулковської обсерваторії, який в радянські часи входив до складу Кримської астрофізичної обсерваторії АН СРСР. У Полтаві 1926 року створено гравіметричну обсерваторію, основним завданням якої є вивчення рухів земних полюсів і припливів у земній корі. У 1945 році в Голосієві, під Києвом, створено астрономічну обсерваторію АН УРСР.

Значні астрометричні роботи виконали в Україні І. Є. Кортацці, Б. П. Остащенко-Кудрявцев, Л. І. Семенов (Миколаїв), В. І. Фабріціус, М. П Диченко (Київ), М. В. Ціммерман, Б. В. Новопашенний (Одеса), Г. В. Левицький, Л. О. Струве, М. М. Євдокимов (Харків), О. Я Орлов, Є. П. Федоров (Полтава). М. Ф. Хандриков був визначним організатором Київської школи теоретичної астрономії. Важливі дослідження виконав у Києві А. О. Яковкін. В галузі астрофізики значних успіхів досягли С. К. Всехсвятський (Київ), О. К. Кононович і В. П. Цесевич (Одеса), В. Г. Фесенков, М. П. Барабашов (Харків), Г. М. Неуймін, Г. А. Шайн, Е. Р. Мустель (Крим), Е. В. Рибка, В. Б. Степанов, М. С. Ейгенсон (Львів) і багато інших.

Теоретична астрономія

Астрономи теоретики використовують широкий спектр інструментів, які включають аналітичні моделі (наприклад, політропи наближені до поведінки зірки) і обрахунки чисельних моделювань. Кожен з них має свої переваги. Аналітична модель процесу, як правило, краще дає зрозуміти суть того, чому це (щось) відбувається. Чисельні моделі можуть свідчити про наявність явищ і ефектів, яких ймовірно інакше не було б видно.

Теоретики в області астрономії прагнуть створювати теоретичні моделі і з'ясувати в дослідженнях наслідки цих моделювань. Це дозволяє спостерігачам шукати дані, які можуть спростувати модель або допомогає у виборі між кількома альтернативними або суперечливими моделями. Теоретики також експериментують у створенні або видозміні моделі з урахуванням нових даних. У разі невідповідності, загальна тенденція полягає в спробі зробити мінімальними зміни в моделі й підкорегувати дані. У деяких випадках велика кількість суперечливих даних з часом може призвести до повної відмови від моделі.

Теми які вивчають теоретичні астрономи: зоряна динаміка і еволюція; галактик; великомасштабної структури з питання в всесвіту; походження космічних променів; загальної теорії відносності та фізичної космології, в тому числі космології зірок і астрофізики фізики. Астрофізичні відносності служать як інструмент для оцінки властивостей великомасштабних структур, для яких гравітація відіграє значну роль у фізичних явищах і досліджені в якості основи для чорних дір, астрофізика та вивчення гравітаційних хвиль. Деякі широко прийняті і вивчені теорій і моделей в астрономії, тепер включені в Lambda-CDM моделі, Великий Вибух, Космічне розширення, темної матерії і фундаментальні теорії фізики.

Любительська астрономія

Астрономія є однією з наук в якому любителі можуть внести найбільший внесок.

У сукупності всі астрономи-любителі спостерігають різні небесні об'єкти і явища в більшому об'ємі а ніж науковці, хоча їх технічний ресурс набагато менший за можливості державних інституцій, іноді це обладнання вони будують собі (як це було ще 2 століття тому). Зрештою саме більшість науковців вийшли з цього середовища. Головні цілі спостережень астрономів-любителів включать: Місяць, планети, зірки, комети, метеорні потоки, і різноманітні об'єкти глибокого неба такі як зоряні скупченя, галактики і туманності. Одна з гілок аматорської астрономії, аматорська Астрофотографія, передбачає фотофіксацію ділянок нічного неба. Багато любителів хотіли б спеціалізуватися у спостереженні окремих предметів, типів об'єктів, або типи подій, які цікавлять їх.

Більшість любителів працюють у видимому спектрі, але невелика частина експериментує з довжиною хвиль за межами видимого спектру. Це включає в себе використання інфрачервоних фільтрів на звичайних телескопах, а також використання радіотелескопів. Піонером аматорської астрономії радіолюбитель Карл Янський, який спостерігав небо в радіодіапазоні в 1930 році. Ряд астрономів-любителів використовувати як домашній телескоп так і радіотелескопи, які були спочатку побудовані для астрономічних досліджень, але які тепер доступні для любителів через їх технічну відсталість (для великих дослідних інституцій).

Астрономи-аматори і надалі продовжують вносити вклад в астрономію. Дійсно, вона є однією з небагатьох наукових дисциплінах, де любителі можуть ще внести значний вклад, доволі часто проводять точкові вимірювання, які використовуються для уточнення орбіт малих планет, вони також виявляють зчаста комети, а також виконують регулярні спостереження змінних зір. А поліпшення в області цифрових технологій дозволило любителям зробити вражаючий прогрес в області Астрофотографії.