Методы астрономии

Что из себя представляет современная астрономия

Наука астрономия сделала большой вклад в понимание научной картины мира и формирование научного мировоззрения человечества, в большей степени на современном этапе развития. В рамках астрономии ученые исследуют основные физические параметры, состав, происхождение, эволюцию объектов и систем, которые расположены в космосе, а также в фокусе внимания ученых космические процессы и явления.

На протяжении развития области научного познания сложилось несколько моделей Вселенной на основе астрономических знаний. Рассматриваемые модели были сформированы, благодаря теоретическим идеям, которые относятся к конкретному периоду научного развития:

• механические;
• электродинамические;
• квантово-полевые;
• квантово-релятивистские;
• современные квантово-космологические.

В определенную эпоху ключевые моменты в мировоззрении большинства населения определены степенью развития астрономии. Благодаря этой науке, сформированы основополагающие идеи и особая специфика мировоззрения ученых. Астрономия в современности представляет собой экспериментальную и эволюционную науку, а также является всекорпускулярной и всеволновой.

Космические объекты исследуют в разных диапазонах их излучения, включая спектральный анализ, в течение всего эволюционного процесса и с точки зрения взаимосвязей, которые существуют между ними. В данное время современная наука использует такие средства космонавтики, которые гарантируют возможность проводить прямое изучение объектов, процессов и явлений в космосе.

Основными достижениями современной астрономии являются:

• анализ общей динамики галактик, выявление активности ядер галактик, описание структурного строения спиральных галактик;
• объяснение эволюционного процесса звезд на основании их моделирования, что подтверждено результатами наблюдений;
• формирование представлений о структуре Метагалактики, процессах, которые происходят во Вселенной в период времени до 10 миллиардов лет от настоящего времени;
• доказательство в пользу теории возникновения звезд и планетарных систем из газопылевых комплексов, подтверждение теории нестационарной Вселенной;
• получение обширной информации о природе Солнца и планетарных тел Солнечной системы, их характеристиках, благодаря космическим исследованиям.

Научно-техническая революция продолжается. Данный процесс провоцирует увеличение массива астрономических знаний и повышает их значимость. Создаются новые разделы астрономии. Инновационные методы и научные инструменты, которые сформированы на современном этапе развития астрономии, повышают точность и эффективность наблюдений, расширяют спектр их возможностей. Кроме того, наблюдается рост практической значимости астрономических исследований. Они являются триггером для развития естественных наук, в том числе химии и физики, а также способствуют совершенствованию энергетики и техники.

Современная человеческая цивилизация становится все более уязвимой к воздействию космических факторов. Решение экологических задач основано на астрономических наблюдениях за планетой Земля и ближайшим космосом. Развитие астрономии и космонавтики в будущем поможет привлечь ресурсы и использовать возможности космоса, чтобы выйти из приближающегося кризиса в области экологии и энергетики. Такие средства станут эффективной помощью для выживания человечества в XXI веке. Ученые работают над вопросом создания орбитальных солнечных электростанций и рефлекторов, системами по добыче и транспортировке с Луны топлива для термоядерных установок, удалении с нашей планеты высокоактивных отходов производства, извлечение из астероидов, трансформированных в спутники Земли, полезных ископаемых.

Современная астрономия включает отдельные разделы, которые связаны между собой. Данная классификация является условной:

1. Астрометрия.
2. Теоретическая астрономия.
3. Небесная механика.

К основным элементам астрономии относится астрометрия, занимающаяся исследованием времени и пространства.

Астрометрия включает следующие подразделы:

1. Сферическая астрометрия, специализирующаяся на разработке математических способов определения положения небесных тел и их перемещений с применением различных координатных систем. Данная область также изучает закономерности, которые описывают изменения координат небесных тел во времени.
2. Фундаментальная астрометрия, направлена на определение координат небесных тел с помощью исследований, формирование каталогов звездных положений, расчет значение астрономических констант.
3. Практическая астрометрия, занимается разработкой методов определения географических координат, азимутов направлений, точного времени и объясняет применяемые при этом инструменты.

Теоретическая астрономия является разделом астрономии, специализирующимся на разработке методик с целью определения орбит небесных тел на основании их видимых положений, а также способов определения эфемерид небесных объектов, исходя из известных элементов их орбит.

Небесная механика представляет собой раздел астрономии, который изучает законы движения небесных объектов под влиянием сил всемирного тяготения, определяет массу небесных объектов, их форму, степень устойчивости систем небесных тел.

Выше перечислено три основных раздела. Данные области относятся к классической астрономии.

Другие отделы астрономии:

1. Астрофизика — является крупнейшим разделом астрономии, представляет собой науку, которая изучает физические явления во Вселенной, специализируется на исследовании строения, физических свойств и химического состава космических тел.
2. Звездная астрономия — изучает законы, по которым распределены звездные системы в пространстве, движутся, согласно их физических особенностей.
3. Космогония — рассматривает вопросы происхождения жизни и эволюции небесных тел, в том числе Земли.
4. Космология — изучает общие закономерности строения Вселенной и ее развития.

Какими методами пользуется для изучения небесных тел

Существует несколько методик проведения исследований в области астрономии. Основные группы методов:

• наблюдения;
• измерения;
• космический эксперимент.

Астрономические наблюдения

С помощью астрономических наблюдений ученые регистрируют происходящее в близком и дальнем космосе. Данный метод является главным источником знаний, которые получают экспериментальным путем. Астрономические наблюдения и обработка полученной с их помощью информации, обычно, проводят в условиях специализированных научно-исследовательских учреждений, то есть астрономических обсерваториях.

Современные обсерватории обладают специальными инструментами для наблюдений, то есть телескопами, а также оснащены светоприемной и анализирующей аппаратурой, разными вспомогательными приборами, ЭВМ высокой производительности и другими функциональными устройствами.

Особенности астрономических наблюдений:

1. Инертность наблюдений объясняет их длительные сроки выполнения. Отсутствует возможность для активного влияния на космические объекты, за некоторыми исключениями, которые предоставляет пилотируемая и непилотируемая космонавтика. В большинстве своем, явления фиксируют с помощью наблюдений длительностью в несколько тысяч лет, например, изменение угла наклона оси нашей планеты к орбитальной плоскости. Таким образом, астрономическое наследие Вавилона и Китая тысячелетней давности является актуальным в настоящее время, несмотря на определенные несоответствия современным стандартам.
2. Наблюдения выполняют, обычно, с поверхности Земли. При этом наша планета совершает сложное движение, что объясняет ограниченные размеры участка звездного неба, который видит земной наблюдатель.
3. На основе наблюдений выполняются угловые измерения, необходимые для дальнейших расчетов линейных размеров объектов и их удаленности. Исходя из того, что угловые размеры звезд и планет, выполняемые с помощью оптики, не определяются расстоянием до них, производимые расчеты могут быть недостаточно точны.

Основным инструментом астрономических наблюдений является оптический телескоп. Принцип действия оборудования определяется его модификацией. Независимо от конфигурации, устройство используют с целью сбора максимального количества света, который испускают светящиеся объекты в виде звезд, планет, комет. В результате ученые получают их изображение.

Оптические телескопы бывают нескольких видов:

1. Линзовые рефракторы.
2. Зеркальные рефлекторы.
3. Зеркально-линзовые телескопы.

В первом случае изображение получают за счет преломления света в линзе объектива. Недостатком рефракторов является ошибка в результате размытости изображения. Особенность рефлекторов заключается в их применении в астрофизике. Главной их характеристикой является не преломление, а отражение света. По сравнению с линзовыми, данный тип оборудования отличается повышенной точностью. Зеркально-линзовые телескопы объединяют в себе функционал рефракторов и рефлекторов.

Астрономические измерения

В процессе исследований астрономические измерения проводят с помощью разнообразного оборудования, включая приборы и инструменты. Основными из астрономических измерительных приборов являются координатно-измерительные машины. С их помощью определяют одну или пару прямоугольных координат фотографического изображения или диаграммы спектра. Данное оборудование включает стол, на котором размещают фото и микроскоп с измерительными функциями, необходимый для наводки на святящееся тело или его спектр. Точность современных приборов составляет до 1 мкм.

Ошибки, возникающие в процессе измерений:

• неисправность или погрешность самого инструмента;
• человеческий фактор;
• произвольного характера.

Если имеют место ошибки, возникающие по причине несовершенства измерительного оборудования, то следует предварительно выполнить его проверку на точность. В процессе проверки анализируют:

• шкалу;
• микрометрические винты;
• направляющие на предметном столе и измерительном микроскопе;
• отсчетные микрометры.

Ошибки, объясняемые человеческим фактором и случайностью, купируются кратностью измерений. В процессе астрономических измерений широко внедряются автоматические и полуавтоматические измерительные приборы. В первом случае устройства обладают большей скоростью по сравнению с полуавтоматическими аналогами оборудования и характеризуются вдвое меньшим показателем средней квадратической ошибки.

Космический эксперимент

Основными тенденциями космических экспериментов являются:

• анализ течения физико-химические процессов и поведения материалов в космосе;
• исследование свойств и поведения небесных объектов;
• влияние космоса на человека;
• подтверждение теорий космической биологии и биотехнологии;
• пути освоения космического пространства.

В данном случае можно привести примеры экспериментов, которые проводят российские космонавты на МКС. Опыт Veg-01 предполагает выращивание растений. Задачей эксперимента является изучение поведения растительных организмов на орбите. Эксперимент «Плазменный кристалл» направлен на исследование плазменно-пылевых кристаллов и жидкостей в условиях микро гравитационных параметров. Данный опыт состоит из четырех этапов:

• изучение плазменно-пылевой структуры в газоразрядной плазме под действием высокочастотного емкостного разряда;
• исследование плазменно-палевой структуры в плазме при тлеющем разряде с постоянным током;
• определение характера воздействия ультрафиолетового спектра космического излучения, которому подвержены макрочастицы, вероятно заряженные фотоэмиссией;
• наблюдение за плазменно-пылевыми структурами в условиях открытого космоса при действии солнечного ультрафиолета и ионизирующего излучения.

На МКС регулярно проводятся научные эксперименты. Например, российские космонавты провели свыше 100 космических опытов.

Метод триангуляции в астрономии

Возможности космической триангуляции:

• определение координат удаленных пунктов;
• связывание местных геодезических сетей, которые отделяют друг от друга океаны и моря, в общую сеть;
• развитие сплошных сетей с целью обеспечить обширные территории общей координатной системой и создать сети пунктов с определенной плотностью.

Пункты геодезической сети, которые построены на основе триангуляции, могут являться основой для исследований внешнего гравитационного поля и фигуры нашей планеты, а также применяются в космических навигационных системах. Данный метод реализуют с применением искусственных спутников Земли, которые обладают почти круглыми орбитами:

• при использовании отраженного от поверхности спутника солнечного света применяют пассивные ИСЗ;
• аппаратуру, подающую световые или радиосигналы с привязкой к системе точного времени, устанавливают на борту активных ИСЗ.

Искусственные спутники Земли оснащают уголковыми отражателями, с помощью которых проводят лазерно-дальномерные измерения. Аппаратура для наблюдения за ИСЗ отличается высокой точностью измерений. Востребованы оптические установки, благодаря которым достаточно просто получать фотографии спутников на фоне звездного неба. 

Первые измерения удаленности Земли от Солнца были выполнены Аристархом Самосским, который применил в исследованиях астрономические методы. Анализ данных его вычислений позволяет делать вывод о том, что радиус Земли примерно в семь раз меньше, чем радиус Солнца. Это заключение натолкнуло Аристарха Самосского на идею расположения Солнца в центре мира, как большего тела, чем Земля. Полученные греческим ученым результаты далеки от реальных параметров, но тенденция соответствует действительности.

Метод триангуляции первым применил Снеллиус в 1615 году, измеряя дуги меридиана в Голландии. С того времени в разных странах и на разных широтах было измерено множество дуг на поверхности Земли.

Пример

Метод триангуляции основан на ряде вычислений. Предположим, что имеется некая дуга \(O_{1}O_{2}\). Требуется вычислить ее длину. Около данной дуги имеются точки А, В, С, D, Е, …, удаленные приблизительно на 40 километров друг от друга. Рассматриваемые точки расположены, таким образом, чтобы из каждой просматривались, как минимум, пара других точек. В каждую точку монтируются геодезические вышки с платформами для наблюдения. В качестве базиса принимается отрезок \(O_{1}A\), соединяющий две точки и пролегающий по достаточно ровной поверхности. Длина этого базиса измеряется с максимальной точностью с применением мерной ленты. Далее наблюдателю с вышки необходимо определить углы треугольников  \(O_{1}AB\), ABC, BCD… Обладая информацией об углах и базисе треугольника \(O_{1}AB\), легко определить другие его стороны \(O_{1}B\) и АВ. Вычислив сторону АВ и углы треугольника АВС, можно найти стороны АС и ВС. Таким образом, пошагово определяют длину ломаной линии \(O_{1}BDO_{2}\). Вычислив из точки \(O_{1} \)азимут направления отрезка \(O_{1}A\), необходимо построить проекцию ломаной линии \(O_{1}BDO_{2}\) на меридиане \(O_{1}O_{2}\). В результате будут получены линейные размеры дуги \(O_{1}O_{2}\).

Метод параллакса в астрономии

Явление параллакса используют для измерения расстояния до планет. Понять принцип данного исследования можно с помощью простых действий:

• поднять вверх палец перед глазами так, чтобы его было видно на любом пестром фоне;
• не меняя положение головы, смотреть на палец поочередно, правым и левым глазом.

В результате наблюдатель заметит, что при закрытии одного глаза и открытии другого палец будет смещаться относительно фона. При этом смещение увеличивается по мере приближения пальца к глазам. Данное явление объясняется расположением глаз, которые удалены друг от друга на некоторое расстояние, таким образом, что прямые линии, проведенные от пальца к глазам, формируют определенный угол. При построении этих прямых до фона, они продемонстрируют два варианта положения пальца. В процессе приближения пальца к глазам уголь становится больше, что увеличивает смещение. Аналогично, для измерения расстояния до луны с помощью метода параллакса необходимо провести наблюдения из пары точек, которые удалены друг от друга на сотни километров.

При использовании метода параллакса для исследования небесных тел в качестве неподвижного фона будет принято звездное небо, которое кажется таковым из-за большого удаления звезд от нашей планеты. Примерно в 1600 году удаленность планет Солнечной системы от Земли не позволяло достаточно точно измерить их смещение на фоне звездного неба, проводя наблюдения из двух обсерваторий. Однако в 1608 году, благодаря изобретению телескопа итальянским ученым Галилео Галилеем, удалось увеличить видимые габариты небесных объектов и малые смещения, которые связаны с параллаксом.

Метод параллакса характеризуется достаточно высокой точностью измерений. Однако этот способ ограничен в возможностях. С его помощью можно относительно точно вычислить расстояния до космических объектов, которые расположены неподалеку от нашей планеты и Солнечной системы. При необходимости определить более дальние расстояния возникают сложности. В этом случае точность измерений значительно снижается. Диаметр орбиты Земли будет недостаточен для того, чтобы сформировать нужный угол.

Радиолокационный метод в астрономии

В процессе исследований комплекс, включая передатчик, антенну и приемник, то есть радиолокатор или радар, размещают на нашей планете или устанавливают на космический аппарат. Радиолокационная астрономия отличается от радиоастрономии изучением не собственного радиоизлучения небесных тел, а отраженных от них сигналов.

Метод отличается удобством, так как при измерении времени, в течение которого сигнал преодолевает путь туда и обратно, можно достаточно точно рассчитать расстояние до объекта, а в зависимости от того, как изменяется частота сигнала легко определить скорость объекта по принципу Доплера. Однако из-за быстрого убывания мощности отраженного сигнала по мере увеличения расстояния, ученым удается исследовать радиолокационным методом только тела, расположенные в Солнечной системе.

В 1961 году исследователи в Англии, СССР и США практически в одно и то же время использовали локацию Венеры, чтобы измерить расстояние до нее. Повторный эксперимент в 1964 году позволили значительно увеличить точность измерений с погрешностью в несколько километров. Применение современных радаров позволяет проводить также локацию Солнца, Меркурия, Марса, Юпитера с галилеевыми спутниками, Сатурна с кольцами и спутником Титаном, астероидов и ядер комет. Далее небесные тела стали исследовать, применяя космические зонды. Однако локация все еще остается эффективным методом проведения астрономических исследований. К данной методике была добавлена лазерная локация Луны, при которой использовали отражатели оптических импульсов, размещенных на ее поверхности. Таким образом, можно регулярно определять расстояние между нашей планетой и Луной с точностью до 1 сантиметра, что помогает в изучении сложного относительного перемещения этих двух объектов.

Обеспечить прохождение сигнала наземного передатчика через ионосферу Земли можно при условии достаточно коротковолнового излучения, менее 20 метров. Когда сигнал транслируется передатчиком к объекту, плотность его мощности уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Импульс частично отражается от объекта и, возвращаясь на поверхность нашей планеты, вновь теряет мощность обратно пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, энергия полученного радиоэха обратно пропорциональна четвертой степени расстояния до объекта. Этот факт объясняет применимость радарных методов только в случае изучения ближайших тел Солнечной системы, а также необходимость в использовании очень мощных передатчиков, больших антенн и сверхчувствительных приемников.