Введение.
1 Оптические телескопы и их использование.
1.1 История первых оптических наблюдений.
1.2 Схема и устройство оптических телескопов.
1.3 Использование фотографических методов.
1.4 Спектральные наземные исследования.
2 Достижения современной оптической астрономии.
2.1 Использование ПЗУ-матриц ЭВМ.
2.2 Использование спутниковых систем Земли для определения расстояния до
звезд.
2.3 Космические телескопы (в оптическом диапазоне) и открытия сделанные с
их помощью.
3 Использование приведенного материала в учебном процессе.
3.1 Включение материала в темы занятий по физике, естествознанию
(рекомендации для учителя).
3.2 Планы-конспекты уроков
Заключение
Введение.
Цель астрофизики – изучение физической природы и эволюции отдельных
космических объектов, включая и всю Вселенную. Таким образом, астрофизика
решает наиболее общие задачи астрономии в целом. За последние десятилетия
она стала ведущим разделом астрономии. Это не означает, что роль таких
«классических» разделов как небесная механика, астрометрия и т.п. –
уменьшилась. Наоборот, количество и значимость работ в традиционных
областях астрономии в настоящее время также растет, но в астрофизике этот
рост проходит быстрее. В целом астрономия развивается гармонически, как
единая наука, и направление исследований в различных ее разделах учитывает
взаимные их интересы, в том числе и астрофизики. Так, например, развитие
космических исследований частично способствовало возникновению нового
раздела небесной механики – астродинамики. Построение космических моделей
Вселенной предъявляет особые требования к «классическим задачам»
астрометрии и т.д.
Как известно, за свою многовековую историю астрономия претерпела
несколько революций, полностью изменивших ее характер. Одним из результатов
этого процесса явилось возникновение и бурное развитие астрофизики.
Особенно этому способствовало применение телескопа с начала XVII века,
открытие спектрального анализа и изобретение фотографии в XIX веке,
возникновение фотоэлектрии, радиоастрономии и внеатмосферных методов
исследования в XX веке. Все это необычно расширило возможности
наблюдательной или практической астрофизики, и привело к тому, что в
середине XX века астрономия стала всеволновой, т.е. получила возможность
извлекать информацию из любого диапазона спектра электромагнитных
излучения.
Параллельно с развитием методов практической астрофизики, благодаря
прогрессу в физике и особенно созданию теории излучения и строения атома,
развилась теоретическая астрофизика. Ее цель – интерпретация результатов
наблюдений, постановка новых задач исследований, а также обоснование
методов практической астрофизики.
Оба раздела астрофизики в свою очередь подразделяются на более
частные. Разделение теоретической астрофизики, как правило, производится по
объектам исследований: физика звезд, Солнца, планет, туманностей,
космических лучей, космологией и т.д. Разделы практической астрофизики
обычно отражают те или иные применяемые методы: астрофотометрия,
астроспектрометрия, астрофотография, колориметрия и т.д.
Разделы астрофизики, основание на применение принципиально новых
методов, составившие эпоху в астрономии, и, как правило, включающие
соответствующие разделы теоретической астрофизики получили такие названия,
как радиоастрономия, баллонная астрономия, внеатмосферная астрономия
(космические исследования), рентгеновская астрономия, гамма-астрономия,
нейтринная астрономия.
Совокупность всех видов излучения называется спектром
электромагнитного излучения. Электромагнитный спектр, исследуемый в
астрофизике показан в таблице 1.
«Я вне себя от изумления, так как уже
успел убедится, что Луна представляет
собой тело, подобное Земле.»
Галилео Галилей (1610 год)
Оптические телескопы и их использование.
1 История первых оптических наблюдений.
Трудно сказать, кто первый изобрел телескоп. Известно, что еще древние
употребляли увеличительные стекла. Дошла до нас и легенда о том, что якобы
Юлий Цезарь во время набега на Британию с берегов Галлии рассматривал в
подзорную трубу туманную британскую землю. Роджер Бекон, один из наиболее
замечательных ученных и мыслителей XIII века, он изобрел такую комбинацию
линз, с помощью которой отдаленные предметы при рассматривании их кажутся
близкими.
Так ли это было в действительности – неизвестно. Бесспорно, однако,
что в самом начале XVII века в Голландии почти одновременно об изобретении
подзорной трубы заявили три оптика – Липперсгей, Мециус и Янсен.
Рассказывают, что будто бы дети одного из оптиков, играя с линзами,
случайно расположили две из них так, что далекая колокольня вдруг
показалась близкой. Как бы там ни было, к конце 1608 года первые подзорные
трубы были изготовлены и слухи об этих новых оптических инструментах быстро
распространились по Европе.
В Падуе в это время уже пользовался широкой известностью Галилео
Галилей, профессор местного университета, красноречивый оратор и страстный
сторонник учения Коперника. Услышав о новом оптическом инструменте решил
собственноручно построить подзорную трубу. Сам он рассказывает об этом
так: «Месяцев десять тому назад стало известно, что некий фламандец
построил перспективу, при помощи которой видимые предметы, далеко
расположенные от глаз, становятся отчетливо различимы, как будто они
находятся вблизи. Это и было причиной, по которой я обратился к изысканию
оснований и средств для изобретения сходного инструмента. Вскоре после
этого, опираясь на учение о преломлении, я постиг суть дела и сначала
изготовил свинцовую трубу, на концах которой я поместил два оптических
стекла, оба плоских с одной стороны, с другой стороны одно стекло выпукло-
сферическое, другое вогнутое».
Этот первенец телескопической техники давал увеличение всего в три
раза. Позже Галилео удалось построить более совершенный инструмент,
увеличивающий в 30 раз. И тогда, как пишет Галилей «оставив дела земные, я
обратился к небесам».
7 января 1610 года навсегда останется памятной датой в истории
человечества. Вечером этого дня Галилей впервые направил построенный им
телескоп на небо. Название «телескоп» было присвоено новому инструменту по
решению итальянской Академии наук. Он увидел то, что предвидеть заранее
было невозможно. Луна, испещренная горами и долинами, оказалась миром,
схожим хотя бы по рельефу с Землей. Планета Юпитер предстала перед глазами
изумленного Галилея крошечным диском, вокруг которого обращались четыре
необычные звездочки – его спутники. Картина эта в миниатюре напоминала
Солнечную систему по представлению Коперника. При наблюдениях в телескоп
планета Венера оказалась похожей на маленькую луну. Она меняла свои фазы,
что свидетельствовало о ее обращении вокруг Солнца. На самом Солнце
(поместив перед глазами темное стекло) Галилей увидел черные пятна,
опровергнув тем самым общепринятое учение Аристотеля о «неприкосновенной
чистоте небес». Эти пятна смещались по отношению к краю солнца, из чего
Галилей сделал правильный вывод о вращении Солнца вокруг оси.
В темные прозрачные ночи в поле зрения галилеевского телескопа было
видно множество звезд, недоступных невооруженным глазу. Некоторые туманные
пятна на ночном небе оказались скопищами слабо светящихся звезд. Великим
собранием скучено расположенных звездочек оказался и Млечный путь –
беловатая, слабо светящаяся полоса, опоясывавшая все небо.
Несовершенство первого телескопа помешало Галилею рассмотреть кольца
Сатурна. Вместо колец он увидел по оде стороны Сатурна два каких-то
странных придатка.
Открытия Галилея положили начало телескопической астрономии. Но его
телескопы (рисунок 1), утвердившие окончательно новое коперническое
мировоззрение, были очень не совершенны.
Уже при жизни Галилея им на смену пришли телескопы несколько иного
типа. Изобретателем нового инструмента был уже знакомый нам Иоган Кеплер. В
1611 году в трактате «Диоптрика» Кеплер дал описание телескопа, состоявшего
из двух двояковыпуклых линз. Сам Кеплер, будучи типичным астрономом –
теоретиком, ограничился лишь описанием схемы нового телескопа, а первым,
кто построил такой телескоп и употребил его для астрономических целей, был
иезуит Шейкер, оппонент Галилея в их горячих спорах о природе солнечных
пятен.
Галилей изготовил трубу с увеличением в 30 раз. Эта труба имела длину
1245 мм; объективом у нее была выпуклая линза, диаметром в 53,5 мм;
плосковогнутый окуляр имел диаметр в25 мм. Труба с увеличением в 30 раз
была лучшей из труб Галилея; она до сих пор сохраняется в музее во
Флоренции. При ее помощи Галилей сделал все свои телескопические открытия.
Галилей открыл на Луне горы и горные цепи, а также несколько темных
пятен, которые назвал морем. При первом же знакомстве с поверхностью Луны
Галилео бросилось в глаза сведущее обстоятельство: поверхность Луны
казалась похожей на поверхность Земли – на лунной поверхности (как и на
земной) оказались и большие горы, и горные цепи, и моря, и долины. Галилей
первое время предполагал присутствие на Луне воды (в морях) и атмосферной
оболочки.
В конце 1609 и в начале 1610 годов Галилей исследовал при помощи
телескопа различные небесные объекты, в том числе млечный Путь. Аристотель
считал Млечный Путь атмосферным явлением. Но в телескоп Галилей сразу
увидел, что сияние Млечного Пути вызывается бесчисленно скученно
расположенными звездочками. Таким образом, Млечный путь оказался скоплением
звезд, т.е. явлением космическим, а вовсе не атмосферным.
Изумительное открытие сделал Галилей, наблюдая в начале января 1610
года планету Юпитер.
Сохранился журнал наблюдений Галилея, который он начал регулярно вести
с 7 января 1610 года. 7 января он увидел около Юпитера три светлые
звездочки; две находились к востоку от Юпитера, а третья – к западу. 8
января он опять направил свою трубу на Юпитер. И что же? Расположение
звездочек изменилось. Все три звездочки помещались теперь к западу от
планеты и ближе одна к другой, чем в предшествующее наблюдение. «Они, -
пишет Галилей в «Звездном вестнике», - по прежнему стояли на одной прямой
линии, но уже были разделены собой равными промежутками». 9 января было
видно только две, и обе они находились к востоку от Юпитера.
13 января Галилей увидал уже четыре звездочки около Юпитера; затем все
четыре звездочки он снова наблюдал 15 ,19, 20, 21, 22 и 26 января и
окончательно уверился в том, что он сделал совершенно неожиданное открытие:
установил существование четырех спутников планеты Юпитер. Этих спутников
Галилей решил назвать «светилами Медичи», посвятив свое открытие герцогу
Тосканскому Козимо II Медичи.
В октябре 1610 года Галилей сделал новое сенсационное открытие: он
заметил фазы Венеры. Галилей был уверен, что Венера имеет фазы и нисколько
не был удивлен, что их увидел. К концу 1610 года относится еще одно
замечательное открытие: Галилей усмотрел на диске Солнца темные пятна. Эти
пята приблизительно в тоже время увидели и другие: английский математик
Гарриот (1560 – 1621), голландский астроном Иоганн Фабриций (1587 – 1615) и
иезуит Христофор Шейнер (1575 – 1650).
Фабриций первый оповестил ученый мир о своем открытии, издав на
латинском языке брошюру «Рассказ о пятнах, наблюдениях о Солнце, и
кажущемся их перемещении вместе с Солнцем». В этой брошюре автор
утверждает, что впервые заметил пятно на диске Солнца 9 марта 1611 года.
После нескольких дней наблюдений пятно исчезло на западном краю солнечного
диска, а недели через две снова появилось на восточном. Из этих наблюдений
Фабриций заключил, что пятно совершает обращение вокруг Солнца. Вскоре,
однако, он понял, что перемещение пятна по солнечному диску только
кажущееся, и что в действительности само Солнце вращается вокруг оси.
Герриот увидел три черных пятна на солнечном диске 1 декабря 1610
года. Наконец, иезуит Христофор Шейнер увидел солнечные пятна в 1611 году,
но не торопился с опубликованием своего неожиданного открытия.
Открытие Галилея сравнивали с открытием Америки; писали, что текущее
столетие будет по праву гордится открытием «новых небес». Имя Галилея
прославлялось в многочисленных письмах, в честь него сочинялись оды. Он
сделал в короткое время самым знаменитым ученым Европы. Галилей
демонстрировал в телескоп небесные объекты многим своим согражданам и
случайным посетителям.
Замечание Галилея относительно природы Луны и относительно лунных гор
и горных цепей и сделанные им измерения высот лунных гор показывают, что он
стоял на точке зрения Коперника и Бруно. Из чтения «Звездного вестника»
читатели могли вывести только такое заключение, что Галилей, на основании
своих телескопических наблюдений, считает Луну сходной по своей природе с
Землей.
С точки зрения церкви это пахло ересью, так как шло в разрез с
освещавшейся церковью идеей Аристотеля о категорическом различие «земного»
и « небесного». В свою трубу Галилей не один раз наблюдал «пепельный свет»
молодой Луны; он, как за столетие до этого и Леонардо да Винчи, объяснил
совершенно правильно явление пепельного света тем, что темная часть
поверхности луны в это время освещается светом Солнца, отраженным от земной
поверхности. Галилей использовал свое объяснение в чисто коперническом духе
в качестве сильного аргумента в пользу того предложения, что и зама Земля,
подобно другим планетам, является светилом. Галилей так и пишет: «При
помощи доказательств и естественнонаучных выводов мы стократно подтвердили,
что Земля движется, как планета, и превосходит Луну блеском своего света».
Подобное заключение вело прямо к нарушению основного положения учения
Коперника, что Земля – одна из планет, обращающихся вокруг Солнца. Ученые
различных лагерей, читавшие «Звездный вестник», хорошо это понимали. Вот
почему «Звездный вестник» одними читался с восторгом, другими – с
отвращением, как книга еретическая, противная церковной традиции и физике
Аристотеля. Говоря о спутниках Юпитера. Галилей также открыто заявляет себя
коперниканцем.
Против открытий, описанных в «Звездном вестнике», посыпались печатные
возражения. Немецкий астролог Мартин Хорки написал брошюру под заглавием:
«Очень краткий поход против «Звездного вестника»». Это произведение –
стряпня астролога, проникнутого верой в свою «науку» и не желавшего «верить
галилеевой трубе», так как «трубы порождают иллюзии». Спутники Юпитера
придуманы Галилеем, утверждал Хорки, «для удовлетворения ненасытной его
жадности к золоту».
Другой оппонент – итальянец Коломбе – послал Галилею целый трактат,
где между прочим возражал против лунных гор и вообще против всякого рода
возвышений и углублений на луне. По мнению Коломбе, наблюдавшееся Галилеем
на луне пропасти и впадины заполнены каким-то совершенно прозрачным
кристаллическим веществом. Таким образом, Луна все-таки представляет собою
точную сферу, как и предполагал «великий учитель Аристотель».
Флорентинец Франческо Сицци тоже выпустил памфлет против «Звездного
вестника», где свел споры о новых неожиданных открытиях Галилея к чисто
богословским тонкостям. Так, Сицци заявляет, что во второй книге Моисея и в
четвертой главе книги пророка Захарии будто бы содержаться указания, что
число планет на небе равно семи. Число семь вообще является символом
совершенства, например, в голове человека – семь «отверстий» (два уха, два
глаза, две ноздри и один рот). Аналогично бог создал семь планет: две
«благодетельные» - Юпитер и Венеру, две «вредоносные» - Марс и Сатурн, две
являющиеся «светилами» - Солнце и Луну, и одну «безразличную» - Меркурий.
Отсюда Сицци делает вывод: никаких новых планет (т.е. спутников Юпитера) не
может быть, а Галилей с его трубой грубо ошибся.
Таковы были аргументы тогдашних ученых. Однако открытия Галилея скоро
были подтверждены. Существование спутников юпитера констатировал Иоган
Кеплер. Он описал свои наблюдения в небольшой брошюре на латинском языке:
«Рассказ Иоганна Кеплера о его наблюдениях четырех спутников Юпитера,
которых флорентийский математик Галилей по праву открытия назвал
Медическими светилами». Кеплер наблюдал в довольно посредственную трубу.
Несколько раз в начале сентября 1610 года Кеплер ясно видел то двух, то
трех спутников Юпитера, но в наблюдении четвертого не был уверен. В ноябре
1610 года Пейреск во Франции тоже регулярно, как и Галилей, стал наблюдать
спутников Юпитера, задавшись целью составить таблицы их движения. В
наблюдениях ему помогали Готье и Гассенди. Таблиц, однако, им составить не
удалось, так как наблюдения их были недостаточно точны.
Галилею хотелось подтвердить сделанные им телескопические открытия,
отведя нелепые обвинения его в том, что он все это просто придумал. Вскоре
ему это удалось. Римская коллегия подтвердила с некоторыми, очень
незначительными оговорками действительность телескопических открытий
Галилея. Отцы-иезуиты римской коллегии сами наблюдали весьма тщательно и
усердно, записи и чертежи их наблюдений юпитеровых спутников сохранились и
были опубликованы в миланском издании сочинений Галилея. Таким образом, в
ожесточенной борьбе между учеными-новаторами и учеными-схоластиками,
занимавшим положение Аристотеля, победил Галилей. Но его победа над
упрямыми противниками создала ему множество врагов среди ученых
схоластического лагеря. Католическая церковь всячески поддерживала учение
Аристотеля, так что печатные выступления Галилея против последнего
расценивалось его противниками как выпад против церкви и общепринятого
тогда церковного миро представления. Борьба Галилея за новую науку, за
новое коперническое мировоззрение началась. В последующие годы эта борьба
еще более развернулась и обострилась.
Рассмотрим оптические схемы и принцип действия галилеевского и
кеплеровского телескопов. Линза А, обращенная к объективу наблюдения,
называется объективом, а та линза В, к которой прикладывает свой глаз
наблюдатель – окуляром. Если линза толще посередине, чем на краях, она
называется собирательной или положительной, в противном случае –
рассеивающей или отрицательной. В телескопе самого Галилея объективом
служила плосковыпуклая линза, а окуляром – плосковогнутая. По существу,
галилеевский телескоп был прообразом современного театрального бинокля, в
котором используются двояковыпуклые и двояковогнутые линзы в телескопе
Кеплера и объектив и окуляр были положительными двояковыпуклыми линзами.
Представим себе простейшую двояковыпуклую линзу, сферические
поверхности которой имеют одинаковую кривизну. Прямые, соединяющие центры
этих поверхностей, называются оптической осью линзы. Если на такую линзу
падают лучи, идущие параллельно оптической оси, они, преломляются в линзе,
собираются в точке оптической оси, называемом фокусом линзы. Расстояние от
центра линзы до ее фокуса называют фокусным расстоянием.
Чем больше фокусное кривизна поверхностей собирательной линзы, тем
меньше ее фокусное расстояние. В фокусе такой линзы всегда получается
действительное изображение предмета.
Иначе ведут себя рассеивающие, отрицательные линзы. Падающий на них
параллельно оптической оси пучок они рассеивают и в фокусе такой линзы
сходятся не сами лучи, а их продолжение. Поэтому рассеивающие линзы имеют,
как говорят, мнимый фокус и дают мнимое изображение.
На рисунке 2 показан ход лучей в галилеевском телескопе. Так как
небесные светила, практически говоря, находятся «в бесконечности», то
изображение их получаются в фокальной плоскости, то есть в плоскости,
проходящей через фокус F и перпендикулярной к оптической оси. Между фокусом
и объективом Галилей поместил рассеивающую линзу, которая давала мнимое,
прямое увеличение изображение MN.
Главным недостатком галилеевского телескопа было очень малое поле
зрения – так называют угловой поперечник кружка неба, видимого в телескоп.
Из-за этого наводить телескоп на небесное светило и наблюдать его Галилею
было очень трудно. По этой же причине галилеевские телескопы после смерти
их изобретателя в астрономии не употреблялись и их реликтом можно считать
современные театральные бинокли.
В кеплеровском телескопе (рисунок 3) изображение CD получается
действительное, увеличенное и перевернутое. Последнее обстоятельство,
неудобное при наблюдениях земных предметов в астрономии несущественно –
ведь в космосе нет какого-то абсолютного верха или низа, а потому небесные
тела не могут быть повернуты телескопом «вверх ногами».
Первое из двух главных преимуществ телескопа – это увеличение угла
зрения, под которым видим небесные объекты. Человеческий глаз способен в
отдельности различать две части предмета, если угловое расстояние между
ними не меньше одной минуты дуги. Поэтому, например, на Луне невооруженный
глаз различает только крупные детали, поперечник которых превышает 100 км.
В благоприятных условиях, когда Солнце затянуто облачной дымкой, на его
поверхности удается рассмотреть самые крупные из солнечных пятен. Никаких
других подробностей невооруженным глазом на небесных телах не видно.
Телескоп же увеличивает угол зрения в десятки и сотни раз.
Второе преимущество телескопа по сравнению с глазом заключается в том,
что телескоп собирает гораздо больше света, чем зрачок человеческого глаза,
имеющий даже в полной темноте диаметр не больше 8 мм. Очевидно, что
количество света, собираемого телескопом, во столько раз больше того
количества, которое собирает глаз, во сколько площадь объектива больше
площади зрачка. Иначе говоря, это отношение равно отношению квадратов
диаметров объектива и зрачка.
Собранный телескопом свет выходит из его окуляра концентрированным
световым пучком. Наименьшее его сечение называется выходным зрачком. У
галилеевской трубы выходного зрачка нет. В сущности, выходной зрачок – это
изображение объектива, создаваемое окуляром. Можно доказать, что увеличение
телескопа (то есть увеличение угла зрения по сравнению с невооруженным
глазом) равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному
расстоянию окуляра. Казалось бы, можно достичь любых увеличений.
Теоретически это так, но практически все выглядит иначе. Во-первых, чем
больше употребляемое в телескопе увеличение, тем меньше его поле зренья. Во-
вторых, с ростом увеличения становятся все заметней движения воздуха.
Неоднородные воздушные струи размазывают, портят изображение и иногда то,
что видно при малых увеличениях, пропадает для больших. Наконец, чем больше
увеличение, тем бледнее, тусклее изображение небесного светила (например,
Луны). Иначе говоря, с ростом увеличения хотя и видно больше подробностей
на Луне, солнце и планетах, но зато уменьшается поверхностная яркость их
изображений. Есть и другие препятствия, мешающие применять очень большие
увеличения (например, в тысячи и десятки тысяч раз). Приходится искать
некоторый оптимум и поэтому даже в современных телескопах, как правило,
наибольшие увеличения не превосходят нескольких сотен раз.
При создании телескопов со времен Галилея придерживаются следующего
правила: выходной зрачок телескопа не должен быть больше зрачка
наблюдателя. Легко сообразить, что в противном случае часть света,
собранного объективом, будет напрасно потеряна. Очень важной величиной,
характеризующей объектив телескопа, является его относительное отверстие,
то есть отношение диаметра объектива телескопа к его фокусному расстоянию.
Светосилой объектива называется квадрат относительного отверстия телескопа.
Чем «светосильнее» телескоп, т.е. чем больше светосила его объектива, тем
более яркие изображения объектов он дает. Количество же света, собираемого
телескопом, зависит лишь от диаметра его объектива (но не от светосилы). Из-
за явления, именуемого в оптике дифракцией, при наблюдениях в телескопы
яркие звезды кажутся небольшими дисками, окруженными несколькими
концентрическими радужными кольцами. Разумеется, к настоящим дискам звезд
дифракционные диски никакого отношения не имеют.
Таково было скромное начало развернувшегося позже «Чемпионата»
телескопов – длительной борьбы за усовершенствование этих главных
астрономических инструментов.
2 Схема и устройство оптических телескопов.
После того как в 1609 году Галилей впервые направил на небо телескоп,
возможности астрономических наблюдений возросли в очень сильной степени.
Этот год явился началом новой эры в науке – эры телескопической астрономии.
Телескоп Галилея по нынешним понятиям был несовершенным, однако
современникам казалось чудом из чудес. Каждый, заглянув в него, мог
убедится, что Луна – это сложный мир, во многом подобный Земле, что вокруг
Юпитера обращается четыре маленьких спутника, так же как Луна вокруг
Земли. Все это будило мысль, заставляло задумываться о сложности Вселенной,
ее материальности, о множестве обитаемых миров. Изобретение телескопа
вместе с системой Коперника сыграло немалую роль в ниспровержении
религиозной идеологии средневековья.
Изобретение телескопа, как и большинство великих открытий, не было
случайным, оно было подготовлено всем предыдущим ходом развития науки и
техники. В XVI веке мастера-ремесленники хорошо научились делать очковые
линзы, а отсюда был один шаг до телескопа и микроскопа.
Телескоп имеет три основных
|
