Какую роль играют наблюдения в астрономии

Что такое наблюдение в астрономии

На протяжении веков люди наблюдали за движением Солнца днем и поведением Луны и звезд ночью. Они задавались вопросом, что вызывало такую активность. В более позднее время ученые и астрономы смогли изучить эти объекты в космосе, чтобы объяснить их движение.

Астрономия по своей сути является наукой о наблюдениях, и поэтому астрономам и астрофизикам важно понимать, как собираются и анализируются их данные.

Существует также любительская наблюдательная астрономия, которая является хобби, это изучение Вселенной и наблюдение за ней непрофессиональными астрономами.

Особенности

Важнейшим носителем астрономической информации является электромагнитное излучение. Электромагнитный спектр обычно разбит на различные диапазоны длин волн, как показано в таблице ниже. Каждый диапазон может быть в общей форме описан как энергией фотона в электронвольтах, так и температурой в кельвинах. Каждый диапазон несет различный набор информации, поскольку излучение на разных длинах волн генерируется (и модифицируется) различными физическими процессами. И в каждой полосе информация передается в различных формах (спектральная, временная, пространственная, поляризация, интенсивность).

Характерные энергии фотонов и температуры

Широкий диапазон длин волн подразумевает, среди прочего, что необходимо использовать широкий спектр механизмов обнаружения. Каждый диапазон длин волн будет иметь свои характеристики, связанные с каждым типом анализа. Основные типы анализа включают спектроскопию, высокоскоростную фотометрию, визуализацию, поляриметрию, фотометрию.

Преодоление искажающего воздействия атмосферы также является преимуществом на видимых и инфракрасных длинах волн. Звезды не «мерцают» в космосе, поэтому количество наблюдаемых деталей ограничено только размером прибора. Вывод телескопов в космос обходится дорого, а ремонт может представлять серьезную проблему. Вот почему астрономы продолжают создавать телескопы как для использования на Земле, так и для запуска в космос.

В астрономических наблюдениях не контролируются условия эксперимента, люди не могут непосредственно исследовать интересующий объект или манипулировать им. Следствием этого является то, что существуют промежуточные области, которые могут влиять на поток информации от астрономического источника к наблюдателю. Эти промежуточные области включают межгалактическую, межзвездную и межпланетную среды и атмосферу Земли. Влияние таких регионов на поток информации понято лишь частично. Межгалактические, межзвездные и межпланетные среды сами по себе являются астрономическими объектами, о которых физики знают немного. И хотя у ученых есть обширная информация о глобальных свойствах атмосферы Земли, им, как правило, не хватает достаточной детализации вплоть до мельчайших соответствующих пространственных масштабов (сантиметры) и временных масштабов (миллисекунды).

В астрофизике существуют ситуации, в которых промежуточная область сама по себе является объектом интереса. Примеры включают галактическое поглощение H I (21 см), системы линий поглощения квазаров (Ly α), исследования гравитационного линзирования и микролинзирования, а также эффект Сюняева-Зельдовича. В этих случаях требуются некоторые знания о фоновых источниках излучения для изучения эффектов, производимых промежуточными областями.

Основные виды и способы наблюдений в астрономии

Виды

Разделение наблюдательной астрономии на виды основано на наблюдаемой области электромагнитного спектра:

1. Радиоастрономия — раздел астрономии, который, подобно оптической астрономии, изучает небесные объекты (планеты, звезды, галактики и т.д.) путем «улавливания» света, который они излучают, но который, в отличие от оптической астрономии, нельзя увидеть нашими глазами. С помощью своих приборов (радиотелескопов) радиоастрономы обнаруживают радиоизлучение этих объектов.
2. Инфракрасная астрономия занимается изучением астрономических объектов посредством наблюдений за инфракрасным излучением, которое они испускают. Различные типы небесных объектов, включая планеты Солнечной системы, звезды, туманности и галактики, выделяют энергию на длинах волн в инфракрасной области электромагнитного спектра (т.е. примерно от одного микрометра до одного миллиметра). Методы инфракрасной астрономии позволяют исследователям исследовать такие объекты, которые иначе невозможно было бы увидеть с Земли, поскольку излучаемый ими свет оптических длин волн блокируется частицами пыли.

3. Оптическая астрономия — область астрономии, где ученые наблюдают и анализируют свет из Вселенной, который попадает в диапазон длин волн, к которому чувствителен человеческий глаз, также называемый видимым светом.

   Астрономы анализируют свет (электромагнитное излучение), чтобы изучать Вселенную. Телескопы собирают свет. Данные, собранные телескопами, позволяют астрономам узнавать о конкретных небесных объектах и разрабатывать более совершенные теории о прошлом, настоящем и будущем таких небесных объектов и Вселенной в целом. Человеческие глаза также улавливают свет, но гораздо меньше света, чем телескопы. Глаза чувствительны только к свету на определенных длинах волн. Свет, который могут улавливать человеческие глаза, называется видимым светом. Оптическая астрономия, названа так потому, что в ней используются знакомые оптические элементы, такие как линзы и зеркала. Иногда ее называют астрономией видимого света — это астрономия, которая занимается измерением видимого света. Он соответствует электромагнитным волнам с длиной волны от 380 до 750 нанометров. Более короткие длины волн соответствуют синему свету, а более длинные — красному свету с полным спектром видимых цветов между ними. Большинство небесных объектов излучают некоторое количество видимого света.

4. Астрофизика высоких энергий изучает Вселенную в экстремальных условиях. Черные дыры, нейтронные звезды, взрывающиеся сверхновые и релятивистски движущиеся струи постоянно бросают вызов человеческому пониманию поведения материи при экстремальных плотностях и температурах, высоких скоростях, огромных магнитных полях и сильной гравитации. Понимание этих экстремальных условий является ключом к интерпретации причудливых энергетических явлений, которые происходят в активных ядрах Галактик, пульсарах, сверхновых и гамма-всплесках.

5. Покрытие. В астрономии покрытие происходит, когда что-то между человеком и удаленным объектом блокирует обзор этого удаленного объекта. Затмения — это регулярные и предсказуемые события, потому что планеты, карликовые планеты, луны и астероиды вращаются вокруг Солнца и проходят перед звездами на заднем плане. Наша Луна закрывает или затмевает Солнце четыре-шесть раз в год. Если оказаться на пути лунной тени, можно увидеть полное затмение. Если находиться в зоне наблюдения солнечного затмения, но не на пути лунной тени, можно увидеть только частичное солнечное затмение.

   Для наблюдения за затмением звезды необходимы аналогичные географические требования. Однако, чтобы увидеть полное солнечное затмение, нужно находиться в пределах тени Луны шириной от 100 до 274 километров. Чтобы увидеть затмение звезды — в пределах траектории затмения шириной всего в несколько километров вдоль поверхности Земли.

Способы наблюдения в астрономии

Бортовые и космические инфракрасные телескопы

Источник: strangeplanet.ru

Интерьер самолета SOFIA с массивным телескопом и вспомогательными приборами, которые занимают значительную часть салона
Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии (СОФИЯ): SOFIA позволяет проводить наблюдения над большей частью водяного пара в атмосфере Земли.

Водяной пар — основной источник атмосферных помех при проведении инфракрасных наблюдений. Он сосредоточен в нижней части атмосферы Земли. По этой причине увеличение высоты даже на несколько сотен метров может существенно повлиять на качество наблюдения. Учитывая ограничения высоких гор, большинство из которых притягивают облака и сильные штормы, и тот факт, что способность людей выполнять сложные задачи ухудшается на больших высотах, для астрономов было естественно исследовать возможность наблюдения инфракрасных волн с самолетов и из космоса.

Инфракрасные наблюдения с самолетов ведутся с 1960-х годов, начиная с 15-сантиметрового телескопа. С 1974 по 1995 год НАСА эксплуатировало 0,9-метровый воздушный телескоп. Наблюдая с высоты 12 километров, телескоп находился выше 99% атмосферного водяного пара. Совсем недавно НАСА построило гораздо больший 2,5-метровый телескоп, называемый Стратосферной обсерваторией инфракрасной астрономии (SOFIA).

Подъем еще выше и проведение наблюдений из самого космоса имеют важные преимущества для инфракрасной астрономии:

• устранение помех из атмосферы;
• возможность охлаждения оптической системы прибора, чтобы практически исключить инфракрасное излучение от самого телескопа. Если охладить телескоп в атмосфере, он быстро покроется конденсирующимся водяным паром и другими газами, что сделает его бесполезным. Только в космическом вакууме оптические элементы могут быть охлаждены до сотен градусов ниже точки замерзания и при этом оставаться работоспособными.

С помощью инфракрасных наблюдений астрономы могут обнаружить более холодные части космических объектов, такие как пылевые облака вокруг звездных питомников и остатки умирающих звезд, которые не видны на изображениях в видимом свете.

 

Источник: gdz4you.com

Изображения, полученные с космического телескопа «Спитцер». На этих инфракрасных изображениях слева видна туманность Пламя (Факел), область звездообразования. За ней следует остаток сверхновой Кассиопея А, затем большая планетарная туманность, известная как туманность Спираль.

Эти инфракрасные изображения — область звездообразования, остатки взорвавшейся звезды и область, где старая звезда теряет свою внешнюю оболочку. Поскольку наши глаза нечувствительны к инфракрасным лучам, мы не воспринимаем исходящие от них цвета. Цвета на этих изображениях были выбраны астрономами, чтобы подчеркнуть такие детали, как состав или температура в этих регионах.

Космический телескоп «Хаббл»

В апреле 1990 года был совершен большой скачок вперед в астрономии с запуском космического телескопа «Хаббл». С апертурой (диаметром объектива) 2,4 метра это самый большой телескоп, запущенный в космос на сегодняшний день.

Источник: dlr.de

На изображении показаны звезды и объекты, видимые в сверхглубоком поле «Хаббл» предоставил изображение определенной области космоса, построенное на основе данных, собранных в период с 24 сентября 2003 года по 16 января 2004 года. Эти данные позволяют искать галактики, которые существовали примерно 13 миллиардов лет назад.

Функция телескопа — помочь астрономам получить подробные изображения астрономических объектов от Солнечной системы до самых отдаленных галактик. Среди его многочисленных выдающихся достижений — сверхглубокое поле Хаббла. Это изображение небольшой области неба, наблюдавшееся в течение почти 100 часов. Он содержит изображения около 10 тысяч галактик, некоторые из которых сформировались, когда возраст Вселенной составлял всего несколько процентов от ее нынешнего.

Высокоэнергетические обсерватории

Наблюдения в ультрафиолетовом, рентгеновском и прямом гамма-излучении (электромагнитная волна высокой энергии) могут быть проведены только из космоса. Впервые такие наблюдения стали возможны в 1946 году с помощью ракет V2, захваченных у Германии после Второй мировой войны. Исследовательская лаборатория ВМС США установила на эти ракеты приборы для серии новаторских полетов, которые первоначально использовались для обнаружения ультрафиолетового излучения Солнца. С тех пор было запущено много других ракет для проведения рентгеновских и ультрафиолетовых наблюдений Солнца, а затем и других небесных объектов.

Концепция художника рентгеновского спутника «Чандра», видимого на фоне красочной газовой туманности в космосе.
Рентгеновский спутник «Чандра» — самый мощный рентгеновский телескоп в мире, был разработан НАСА и запущен в июле 1999 года.

Начиная с 1960-х годов, постоянный поток высокоэнергетических обсерваторий был выведен на орбиту для выявления и исследования Вселенной на коротких волнах. «Чандра»позволяет получать рентгеновские изображения с беспрецедентным разрешением и чувствительностью. Разработка приборов, способных собирать и фокусировать энергетическое излучение, такое как рентгеновские и гамма-лучи, является огромной технологической задачей.

Спектрометр

Другим очень важным изобретением в изучении объектов в космосе был спектрометр.

В астрономии это устройство исследует различные цвета, из которых состоит свет далекой звезды. Каждый элемент выделяет свое собственное цветовое распределение, когда он излучает свет, например, во время горения или сильного нагрева.

Распределение цветов, измеренное спектрометром, позволяет ученым определять химический состав далеких звезд. Если цвета кажутся смещенными, то можно определить скорость звезды. Этот метод очень похож на доплеровский радар, используемый в прогнозировании погоды для определения направления шторма.

Поскольку распределение цветов, измеренное спектрометром, кажется смещенным в сторону красного цвета (красное смещение), это указывает на то, что большинство звезд и галактик движутся наружу, прочь от Земли, как если бы произошел взрыв. Это привело к появлению теории Большого взрыва.

Роль наблюдений в астрономии

Наблюдения являются основой астрономии. Теперь астрономы могут поближе рассмотреть Луну, планеты и далекие звезды. Это позволяет им более точно измерять движение тел, так что они могут предсказать, где объекты будут находиться в будущем.

Движения астрономических объектов определяют цикл день-ночь, времена года, приливы и отливы, время затмений и видимость комет и метеорных потоков. Легко наблюдаемые астрономические события легли в основу учета времени, навигации и мифов или саг в культурах по всему миру.