Методи практичної астрофізики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

На тему: Астрофізика

Введення

Мета астрофізики - вивчення фізичної природи і еволюції окремих космічних об'єктів, включаючи і весь Всесвіт. Таким чином, астрофізика вирішує найбільш загальні завдання астрономії в цілому. За останні десятиліття вона стала провідним розділом астрономії. Це не означає, що роль таких «класичних» розділів як небесна механіка, астрометрія і т.п. - Зменшилась. Навпаки, кількість і значимість робіт в традиційних областях астрономії в даний час також зростає, але в астрофізиці це зростання проходить швидше. У цілому астрономія розвивається гармонійно, як єдина наука, і напрям досліджень в різних її розділах враховує взаємні їх інтереси, в тому числі і астрофізики. Так, наприклад, розвиток космічних досліджень частково сприяло виникненню нового розділу небесної механіки - астродинаміки. Побудова космічних моделей Всесвіту пред'являє особливі вимоги до «класичним завданням» астрометрії і т.д. Як відомо, за свою багатовікову історію астрономія зазнала декілька революцій, які змінили її характер. Одним з результатів цього процесу стало виникнення і бурхливий розвиток астрофізики. Особливо цьому сприяло застосування телескопа з початку XVII століття, відкриття спектрального аналізу та винайдення фотографії в XIX столітті, виникнення фотоелектрики, радіоастрономії і позаатмосферних методів дослідження в XX столітті. Все це незвично розширило можливості спостережної чи практичної астрофізики, і призвело до того, що в середині XX століття астрономія стала всехвильовий, тобто отримала можливість отримувати інформацію з будь-якого діапазону спектру електромагнітних випромінювання Паралельно з розвитком методів практичної астрофізики, завдяки прогресу у фізиці і особливо створення теорії випромінювання і будови атома, розвинулася теоретичної астрофізики. Її мета - інтерпретація результатів спостережень, постановка нових завдань досліджень, а також обґрунтування методів практичної астрофізики Обидва розділу астрофізики в свою чергу поділяються на більш приватні. Поділ теоретичної астрофізики, як правило, проводиться по об'єктах досліджень: фізика зірок, Сонця, планет, туманностей, космічних променів, космологією і т.д. Розділи практичної астрофізики зазвичай відображають ті чи інші застосовувані методи: астрофотометрії, астроспектрометрія, астрофотографія, колориметрія і т.д. Розділи астрофізики, підставу на застосування принципово нових методів, що склали епоху в астрономії, і, як правило, включають відповідні розділи теоретичної астрофізики отримали такі назви, як радіоастрономія, балонна астрономія, позаатмосферна астрономія (космічні дослідження), рентгенівська астрономія, гамма-астрономія, нейтринна астрономія

Оптичні телескопи і їх використання. Історія перших оптичних спостережень

Важко сказати, хто перший винайшов телескоп. Відомо, що ще стародавні вживали збільшувальне скло. Дійшла до нас і легенда про те, що нібито Юлій Цезар під час набігу на Британію з берегів Галії розглядав у підзорну трубу туманну британську землю. Роджер Бекон, один з найбільш чудових учених і мислителів XIII століття, він винайшов таку комбінацію лінз, за допомогою якої віддалені предмети при розгляданні їх здаються близькими Чи так це було насправді - невідомо. Безперечно, однак, що на самому початку XVII століття в Голландії майже одночасно про винахід підзорної труби заявили три оптика - Ліпперсгей, Меціус і Янсен. Розповідають, що нібито діти одного з оптиків, граючи з лінзами, випадково розташували дві з них так, що далека дзвіниця раптом здалася близькою. Як би там не було, до кінці 1608 року перші підзорні труби були виготовлені і чутки про ці нові оптичні інструменти швидко поширилися по Європі У Падуї в цей час вже користувався широкою популярністю Галілео Галілей, професор місцевого університету, красномовний оратор і пристрасний прихильник вчення Коперника. Почувши про новий оптичному інструменті, вирішив власноручно побудувати підзорну трубу. Сам він розповідає про це так: «Місяців десять тому стало відомо, що якийсь фламандець побудував перспективу, за допомогою якої видимі предмети, далеко розташовані від очей, стають чітко помітні, як ніби вони знаходяться поблизу. Це й було причиною, по якій я звернувся до вишукування підстав для винаходу схожого інструменту. Незабаром після цього, спираючись на вчення про заломлення, я збагнув суть справи і спочатку виготовив свинцеву трубу, на кінцях якої я помістив два оптичні стекла, обидва плоских з одного боку, з іншого боку одне скло опукло-сферичне, інше увігнуте » Цей первісток телескопічної техніки давав збільшення всього в три рази. Пізніше Галілео вдалося побудувати більш досконалий інструмент, що збільшує в 30 разів. І тоді, як пише Галілей «залишивши справи земні, я звернувся до небес» 7 січня 1610 назавжди залишиться пам'ятною датою в історії людства. Увечері цього дня Галілей вперше направив побудований ним телескоп на небо. Назва «телескоп» було присвоєно новому інструменту за рішенням італійської Академії наук. Він побачив те, що передбачити заздалегідь було неможливо. Місяць, поцяткована горами і долинами, виявилася світом, схожим хоча б по рельєфу з Землею. Планета Юпітер з'явилася перед очима здивованого Галілея крихітним диском, навколо якого зверталися чотири незвичайні зірочки - його супутники. Картина ця в мініатюрі нагадувала Сонячну систему за поданням Коперника. При спостереженнях у телескоп планета Венера виявилася схожою на маленьку місяць. Вона змінювала свої фази, що свідчив про її звернення навколо Сонця. На самому Сонці (помістивши перед очима темне скло) Галілей побачив чорні плями, спростувавши тим самим загальноприйняте вчення Аристотеля про «недоторканною чистоті небес». Ці плями зміщувалися по відношенню до краю сонця, з чого Галілей зробив правильний висновок про обертання Сонця навколо осі У темні прозорі ночі у полі зору галілеївського телескопа було видно безліч зірок, недоступних неозброєним оку. Деякі туманні плями на нічному небі виявилися скопищем слабо світяться зірок. Великим зборами скупчено розташованих зірочок опинився і Чумацький шлях - білувата, слабо світиться смуга, що оповивала все небо Недосконалість першого телескопа завадило Галілею розглянути кільця Сатурна. Замість кілець він побачив по оді сторони Сатурну два якихось дивних придатка Відкриття Галілея поклали початок телескопічної астрономії. Але його телескопи, що ухвалили остаточно новий світогляд, були дуже не досконалі Вже за життя Галілея їм на зміну прийшли телескопи дещо іншого типу. Винахідником нового інструменту був вже знайомий нам Іоган Кеплер. У 1611 році в трактаті «Діоптріка» Кеплер дав опис телескопа, що складався з двох двоопуклих лінз. Сам Кеплер, будучи типовим астрономом - теоретиком, обмежився лише описом схеми нового телескопа, а першим, хто збудував таке телескоп і спожив його для астрономічних цілей, був єзуїт Шейкер, опонент Галілея в їх гарячих суперечках про природу сонячних плям Галілей виготовив трубу зі збільшенням у 30 разів. Ця труба мала довжину 1245 мм; об'єктивом в неї була опукла лінза, діаметром в 53,5 мм; плосковогнутий окуляр мав діаметр В25 мм. Труба зі збільшенням у 30 разів була кращою з труб Галілея; вона до цих пір зберігається в музеї у Флоренції. При її допомозі Галілей зробив всі свої телескопічні відкриття Галілей відкрив на Місяці гори і гірські ланцюги, а також декілька темних плям, які назвав морем. При першому ж знайомстві з поверхнею Місяця Галілео кинулося в очі обставина: поверхня Місяця здавалася схожою на поверхню Землі - на місячній поверхні (як і на земній) опинилися і великі гори, і гірські ланцюги, і моря, і долини. Галілей перший час передбачав присутність на Місяці води (у морях) і атмосферної оболонки В кінці 1609 і на початку 1610 років Галілей досліджував за допомогою телескопа різні небесні об'єкти, у тому числі молочний Шлях. Аристотель вважав Чумацький Шлях атмосферним явищем. Але в телескоп Галілей відразу побачив, що сяйво Чумацького Шляху викликається незліченно скупчено розташованими зірочками. Таким чином, Чумацький шлях виявився скупченням зірок, тобто явищем космічним, а зовсім не атмосферним Дивовижне відкриття зробив Галілей, спостерігаючи на початку січня 1610 року планету Юпітер Зберігся журнал спостережень Галілея, який він почав регулярно вести з 7 січня 1610 року. 7 січня він побачив біля Юпітера три світлі зірочки; дві перебували на схід від Юпітера, а третя - на захід. 8 січня він знову направив свою трубу на Юпітер. І що ж? Розташування зірочок змінилося. Всі три зірочки поміщалися тепер на захід від планети і ближче одна до одної, ніж у попереднє спостереження. «Вони, - пише Галілей в« Зоряному віснику », - як і раніше стояли на одній прямій лінії, але вже були розділені собою рівними проміжками». 9 січня було видно тільки дві, і обидві вони знаходилися на схід від Юпітера 13 січня Галілей побачив вже чотири зірочки біля Юпітера; потім всі чотири зірочки він знову спостерігав 15,19, 20, 21, 22 і 26 січня і остаточно переконався в тому, що він зробив абсолютно несподіване відкриття: встановив існування чотирьох супутників планети Юпітер. Цих супутників Галілей вирішив назвати «світилами Медичі», присвятивши своє відкриття герцогу Тосканському Козімо II Медічи У жовтні 1610 року Галілей зробив нове сенсаційне відкриття: він зауважив фази Венери. Галілей був упевнений, що Венера має фази і ніскільки не був здивований, що їх побачив. До кінця 1610 року належить ще одне чудове відкриття: Галілей угледів на диску Сонця темні плями. Ці п'ята приблизно в той же час побачили й інші: англійський математик Гарріот (1560 - 1621), голландський астроном Іоганн Фабрицій (1587 - 1615) і єзуїт Христофор Шейнер (1575 - 1650) Фабрицій перший оповістив учений світ про своє відкриття, видавши на латинській мові брошуру «Розповідь про плями, спостереженнях про Сонце, і уявній їх переміщенні разом з Сонцем».

У цій брошурі автор стверджує, що вперше помітив пляму на диску Сонця 9 березня 1611 року. Після декількох днів спостережень пляма зникла на західному краю сонячного диска, а тижнів за два знову з'явилося на східному. З цих спостережень Фабрицій уклав, що пляма робить звернення навколо Сонця. Незабаром, однак, він зрозумів, що переміщення плями по сонячному диску тільки здається, і що насправді саме Сонце обертається навколо осі ГЕРРІОТ побачив три чорні плями на сонячному диску 1 грудня 1610 року. Нарешті, єзуїт Христофор Шейнер побачив сонячні плями в 1611 році, але не квапився з опублікуванням свого несподіваного відкриття Відкриття Галілея порівнювали з відкриттям Америки; писали, що поточне століття буде по праву пишається відкриттям «нових небес». Ім'я Галілея славилось в численних листах, на честь нього складалися оди. Він зробив в короткий час найзнаменитішим ученим Європи. Галілей демонстрував в телескоп небесні об'єкти багатьом своїм співгромадянам і випадковим відвідувачам Зауваження Галілея щодо природи Місяця і щодо місячних гір і гірських ланцюгів і зроблені ним вимірювання висот місячних гір показують, що він стояв на точці зору Коперника і Бруно. З читання «Зоряного вісника» читачі могли вивести тільки такий висновок, що Галілей, на підставі своїх телескопічних спостережень, вважає Місяць подібною за своєю природою з Землею З точки зору церкви це пахло єрессю, оскільки йшло в розріз з освітлювалася церквою ідеєю Арістотеля про категоричний відмінність «земного» і «небесного». У свою трубу Галілей не один раз спостерігав «попелясте світло» молодого Місяця, він, як за століття до цього і Леонардо да Вінчі, пояснив абсолютно правильно явище попелястого світла тим, що темна частина поверхні місяця в цей час освітлюється світлом Сонця, відбитим від земної поверхні. Галілей використовував своє пояснення в чисто коперническом дусі як сильного аргументу на користь тієї пропозиції, що і зама Земля, подібно до інших планет, є світилом. Галілей так і пише: «За допомогою доказів і природничо-наукових висновків ми стократно підтвердили, що Земля рухається, як планета, і перевершує Луну блиском свого світла». Таке висновок вело прямо до порушення основного положення вчення Коперника, що Земля - одна з планет, які обертаються навколо Сонця. Учені різних таборів, що читали «Зоряний вісник», добре це розуміли. Ось чому «Зоряний вісник» одними читався з захопленням, іншими - з огидою, як книга єретична, осоружна церковної традиції та фізики Аристотеля.

Говорячи про супутники Юпітера. Галілей також відкрито заявляє себе коперниканцем Проти відкриттів, описаних в «Зоряному віснику», посипалися друковані заперечення. Німецький астролог Мартін Хорки написав брошуру під заголовком: «Дуже короткий похід проти« Зоряного вісника »». Це твір - писанина астролога, перейнятого вірою в свою «науку» і не бажав «вірити галилеевой трубі», оскільки «труби породжують ілюзії». Супутники Юпітера придумані Галілеєм, стверджував Хорки, «для задоволення ненаситної його жадібності до золота» Інший опонент - італієць Коломбе - послав Галілею цілий трактат, де між іншим заперечував проти місячних гір і взагалі проти будь-якого роду піднесень і поглиблень на місяці. На думку Коломбе, що спостерігалися Галілеєм на місяці прірви і западини заповнені якимсь абсолютно прозорим кристалічною речовиною. Таким чином, Місяць все-таки являє собою точну сферу, як і передбачав «великий вчитель Арістотель» Флорентінец Франческо Сицци теж випустив памфлет проти «Зоряного вісника», де звів спори про нових несподіваних відкриття Галілея до чисто богословських тонкощів. Так, Сицци заявляє, що в другій книзі Мойсея й на четвертому розділі книги пророка Захарії ніби б міститися вказівки, що число планет на небі одно семи. Число сім взагалі є символом досконалості, наприклад, в голові людини - сім «отворів» (два вуха, два ока, дві ніздрі і один рот). Аналогічно бог створив сім планет: дві «добродійні» - Юпітер і Венеру, дві «шкідливі» - Марс і Сатурн, дві є «світилами» - Сонце і Місяць, і одну «байдужу» - Меркурій. Звідси Сицци робить висновок: ніяких нових планет (тобто супутників Юпітера) не може бути, а Галілей з його трубою грубо помилився

Такі були аргументи тодішніх учених. Проте відкриття Галілея скоро були підтверджені. Існування супутників юпітера констатував Іоган Кеплер. Він описав свої спостереження в невеликій брошурі на латинській мові: «Розповідь Йоганна Кеплера про його спостереження чотирьох супутників Юпітера, яких флорентійський математик Галілей по праву відкриття назвав МЕДИЧНИЙ світилами». Кеплер спостерігав в досить посередню трубу. Кілька разів на початку вересня 1610 року Кеплер ясно бачив то два, то трьох супутників Юпітера, але у спостереженні четвертого не був впевнений. У листопаді 1610 року Пейреск у Франції теж регулярно, як і Галілей, став спостерігати супутників Юпітера, маючи на меті скласти таблиці їх руху. У спостереженнях йому допомагали Готье і Гассенді. Таблиць, однак, їм скласти не вдалося, тому що спостереження їх були недостатньо точні Галілею хотілося підтвердити зроблені їм телескопічні відкриття, відвівши безглузді звинувачення його в тому, що він усе це просто придумав. Незабаром йому це вдалося. Римська колегія підтвердила з деякими, дуже незначними застереженнями дійсність телескопічних відкриттів Галілея. Батьки-єзуїти римської колегії самі спостерігали досить ретельно і старанно, записи і креслення їх спостережень Юпітеровим супутників збереглися і були опубліковані в міланському виданні творів Галілея. Таким чином, в запеклій боротьбі між вченими-новаторами і ученими-схоластами, які займали положення Аристотеля, переміг Галілей. Але його перемога над упертими противниками створила йому безліч ворогів серед учених схоластичного табору. Католицька церква всіляко підтримувала вчення Аристотеля, так що друковані виступи Галілея проти останнього розцінювалося його противниками як випад проти церкви і загальноприйнятого тоді церковного миро уявлення. Боротьба Галілея за нову науку, за новий коперническое світогляд почалася. У наступні роки ця боротьба ще більш розвернулася і загострилася Розглянемо оптичні схеми і принцип дії галілеївського і кеплеровского телескопів. Лінза А, звернена до об'єктиву спостереження, називається об'єктивом, а та лінза У, до якої прикладає своє око спостерігач - окуляром. Якщо лінза товще посередині, ніж на краях, вона називається збірною або позитивною, в іншому випадку - розсіює або негативною. У телескопі самого Галілея об'єктивом служила плосковипуклих лінза, а окуляром - плосковогнутая. По суті, галілеївських телескоп був прообразом сучасного театрального бінокля, в якому використовуються двоопуклі і двоввігнуті лінзи в телескопі Кеплера і об'єктив і окуляр були позитивними двоопуклої лінзи

Уявімо собі просту двоопуклу лінзу, сферичні поверхні якої мають однакову кривизну. Прямі, що з'єднують центри цих поверхонь, називаються оптичною віссю лінзи. Якщо на таку лінзу падають промені, що йдуть паралельно оптичній осі, вони, заломлюються в лінзі, збираються в точці оптичної осі, званому фокусом лінзи. Відстань від центру лінзи до її фокусу називають фокусною відстанню Чим більше фокусна кривизна поверхонь збиральної лінзи, тим менше її фокусна відстань. У фокусі такої лінзи завжди виходить дійсне зображення предмета Інакше поводяться розсіюючі, негативні лінзи. Падаючий на них паралельно оптичній осі пучок вони розсіюють і у фокусі такої лінзи сходяться не самі промені, а їх продовження. Тому розсіюючі лінзи мають, як кажуть, уявний фокус і дають уявне зображення Небесні світила, практично кажучи, знаходяться «в нескінченності», то зображення їх виходять у фокальній площині, тобто в площині, що проходить через фокус F і перпендикулярної до оптичної осі. Між фокусом і об'єктивом Галілей помістив розсіювальну лінзу, яка давала уявне, пряме збільшення зображення MN Головним недоліком галілеївського телескопа було дуже мале поле зору - так називають кутовий поперечник кружка неба, видимого в телескоп. Через це наводити телескоп на небесне світило і спостерігати його Галілею було дуже важко. З цієї ж причини галілеївські телескопи після смерті їх винахідника в астрономії не уживалися і їх реліктом можна вважати сучасні театральні біноклі У кеплеровском телескопі зображення виходить дійсне, збільшене і перевернуте. Остання обставина, незручне при спостереженнях земних предметів в астрономії неістотно - адже в космосі немає якогось абсолютного верху або низу, а тому небесні тіла не можуть бути повернені телескопом «вверх ногами» Перше з двох головних переваг телескопа - це збільшення кута зору, під яким бачимо небесні об'єкти. Людське око здатне окремо розрізняти дві частини предмета, якщо кутова відстань між ними не менше однієї хвилини дуги. Тому, наприклад, на Місяці неозброєний око розрізняє тільки великі деталі, поперечник яких перевищує 100 км.

У сприятливих умовах, коли Сонце затягнуте хмарної серпанком, на його поверхні вдається розглянути найбільші з сонячних плям. Ніяких інших подробиць неозброєним оком на небесних тілах не видно. Телескоп ж збільшує кут зору в десятки і сотні разів Друга перевага телескопа в порівнянні з оком полягає в тому, що телескоп збирає значно більше світла, ніж зіницю ока, що має навіть у повній темряві діаметр не більше 8 мм. Очевидно, що кількість світла, що збирається телескопом, в стільки разів більше тієї кількості, яка збирає очей, у скільки площа об'єктива більше площі зіниці. Інакше кажучи, це відношення дорівнює відношенню квадратів діаметрів об'єктиву і зіниці Зібраний телескопом світло виходить із його окуляра концентрованим світловим пучком. Найменшу його перетин називається вихідним зіницею. У галилеевской труби вихідного зіниці немає. По суті, вихідне вічко - це зображення об'єктива, створюване окуляром. Можна довести, що збільшення телескопа (тобто збільшення кута зору в порівнянні з неозброєним оком) дорівнює відношенню фокусної відстані об'єктиву до фокусної відстані окуляра. Здавалося б, можна досягнути будь-яких збільшень. Теоретично це так, але практично все виглядає інакше. По-перше, чим більше вживається в телескопі збільшення, тим менше його поле зору. По-друге, зі зростанням збільшення стають все помітнішою руху повітря.

Неоднорідні повітряні струмені розмазують, псують зображення і іноді те, що видно при малих збільшеннях, пропадає для великих. Нарешті, чим більше збільшення, тим блідіше, тьмяніше зображення небесного світила (наприклад, Місяця). Інакше кажучи, зі зростанням збільшення хоч і видно більше подробиць на Місяці, сонце та планети, але зате зменшується поверхнева яскравість їх зображень. Є й інші перешкоди, що заважають застосовувати дуже великі збільшення (наприклад, в тисячі і десятки тисяч разів). Доводиться шукати певний оптимум і тому навіть у сучасних телескопах, як правило, найбільші збільшення не перевершують декількох сотень разів При створенні телескопів з часів Галілея дотримуються наступного правила: вихідний зіницю телескопа не повинен бути більше зіниці спостерігача. Легко збагнути, що в іншому разі частина світла, зібраного об'єктивом, буде марно втрачена. Дуже важливою величиною, що характеризує об'єктив телескопа, є його відносний отвір, тобто відношення діаметра об'єктива телескопа до його фокусної відстані. Світлосилою об'єктиву називається квадрат відносного отвору телескопа. Чим «світлосильні» телескоп, тобто чим більше світлосила його об'єктива, тим більш яскраві зображення об'єктів він дає. Кількість же світла, що збирається телескопом, залежить лише від діаметру його об'єктиву (але не від світлосили). Із-за явища, що іменується в оптиці дифракцією, при спостереженнях в телескопи яскраві зірки здаються невеликими дисками, оточеними декількома концентричними веселковими кільцями. Зрозуміло, до справжніх дисків зірок дифракційні диски ніякого відношення не мають Таке було скромне початок розгорнувся пізніше «Чемпіонату» телескопів - тривалої боротьби за удосконалення цих головних астрономічних інструментів

Висновок

космічний галактичний зоряний оптичний

Розповідь про будову навколишнього нас зоряного і галактичного світу, про керуючих їм законах, про шляхи його еволюції ми в цілому сприймаємо сьогодні як щось само собою зрозуміле. У цьому, безумовно, прояв вже глибоко вкоріненою в кожному з нас віри в науку, в її, як видається, майже необмежені можливості. При цьому ми згадуємо слова видатного французького вченого Ріпі Декарта (1596-1650): «Немає нічого настільки віддаленого від нас, чого б ми не змогли відкрити». А також слова його не менш відомого співвітчизника Блеза Паскаля (1623-1662): «Дивно не те, що Всесвіт нескінченний, а те, що людина здатна розкрити її таємниці ...» Але якщо ми порівнюємо роботу астронома з особливостями проведення досліджень представниками інших природничих наук, то не можемо не відзначити її кардинальна відмінність. Фізик, хімік, біолог чи геолог вивчає той чи інший зразок, маючи його безпосередньо перед собою. Об'єкт свого дослідження він може "помацати руками" у будь-який момент і в буквальному значенні цих слів. Астроном ж, як прийнято говорити, сидить на дні протяжного повітряного океану і всього лише уловлює слабкі світлові потоки, що приходять до нього від того чи іншого небесного об'єкта. І, тим не менше, відбувається щось чудове.

Не виходячи зі стін своєї установи, астроном визначає відстань до цього об'єкта, як ніби зміряв його своїми кроками, каже про температуру на його поверхні, як ніби побував на ньому, про масу об'єкта, як ніби своїми руками вкладав його на якісь величезні ваги , про хімічний склад, ніби йому вдалося якось «зачерпнути» крихту речовини з його атмосфери. Більш того, астроном розповідає про будову зоряних надр, ніби йому вдалося просвердлити хоча б одну зірку до її центру, він будує схеми розвитку зірок, галактик і Всесвіту в цілому протягом мільярдів років, хоча не в змозі простежити за цим розвитком навіть яку-небудь одну сотню років ... І хоча в своєму просуванні до світла, до розуміння законів світобудови люди довго блукали в темряві невідомості, помилялися, горизонт їх пізнання поступово і неухильно розширювався. А будинок науки про небесні світила - астрономія - ставало все прекрасніше ...

Размещено на Allbest.ru