АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018
Частина 2. Основи астрономії
Розділ І. Методи і засоби астрономії
ТЕМА 1.1. МЕТОДИ АСТРОНОМІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
§ 2. ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ ПРО НЕБЕСНІ ОБ'ЄКТИ
Астрономія, а надто в наш час, оперує величезними обсягами даних про небесні тіла. Характерно, що майже всі ці дані отримано зі спостережень. Сучасна астрофізика, що вивчає природу й окремих небесних об'єктів, і їх системи, використовує чотири відомі нині канали отримання інформації: 1) електромагнітне випромінювання; 2) космічні промені, які досягають околиць Землі і взаємодіють з її атмосферою; 3) нейтрино і антинейтрино; 4) гравітаційні хвилі.
1. Астрономія — спостережна наука. Вивчення Всесвіту почалося зі спостережень тих небесних об'єктів, які людина могла бачити. Такі спостереження були простими, але вони дозволили накопичити велику кількість фактів і виявити закономірності деяких астрономічних явищ, наприклад, місячних і сонячних затемнень. Спостереження, як науковий метод вивчення небесних тіл, досі є головним в астрономії. Цим астрономія суттєво відрізняється від інших природничих наук, де головно використовують експеримент.
Нині завдяки космонавтиці астрономія має змогу виконувати окремі експерименти за межами Землі. Але більшість об'єктів дослідження астрономії такі, що їх ніколи не вдасться помістити в жодну лабораторію світу чи вивчати з близької відстані. Експерименти з ними, як і з Всесвітом в цілому, може виконувати тільки сама природа. Людині залишається лише спостерігати за цим процесом.
Першим носієм інформації про небесні світила було світло, що є одним з різновидів електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі прийнято класифікувати по їх частоті. Повний набір усіх частот називають електромагнітним спектром. Окрім видимого світла, до нього належать радіохвилі, мікрохвильове, інфрачервоне, ультрафіолетове, рентгенівське і гамма-випромінювання. Радіохвилі мають найменші частоти і найбільші довжини хвиль: від кількох десятих часток міліметра до багатьох кілометрів. Найбільші частоти і найменші довжини хвиль має гамма-випромінювання.
Рис. 2.1. Електромагнітний спектр — впорядкована по довжині сукупність монохроматичних електромагнітних хвиль.
Для більшості електромагнітних хвиль повітря Землі непрозоре. Крізь так звані «вікна прозорості» (рис. 2.2) поверхні нашої планети досягає лише незначна частина усіх випромінювань, що існують в природі. Це — видимі промені (ті, що сприймає людське око) з довжиною хвиль 390 — 760 нм, інфрачервоні промені 0,76 — 5,2 мкм та вибірково 8,2 — 22 мкм завдовжки і радіохвилі з довжиною хвиль 0,0001 — 30 м.
Практично весь ультрафіолет, жорсткі рентгенівські й гамма-промені в атмосфері на висоті з нижньою межею в 20 — 40 км поглинають молекули азоту, кисню й озону. Вони відіграють роль своєрідного щита для біосфери від випромінювання фотонів з високими енергіями. Поверхні Землі досягає незначна частка ультрафіолету з довжиною хвилі близько 300 нм (0,3 мкм). Від цих довжин хвиль і приблизно до 900 нм (0.9 мкм) прозорість атмосфери є найбільшою, а це і є головне вікно прозорості у видимій ділянці спектра, яку сприймає людське око.
Далі прозорість атмосфери падає через поглинання інфрачервоних променів різними атмосферними газами такими, як СО, СН4, N2O, O3, CO2, HDO, H2O, але головно водяною парою й вуглекислим газом. Радіовипромінювання з довжиною хвилі більшою за 30 м крізь атмосферу не проникають, бо їх поглинають гази й аерозолі, а також відбивають верхні шари іоносфери.
Рис. 2.2. Вікна прозорості земної атмосфери.
2. Астрономія — всехвильова наука. Якби атмосфера Землі раптом перейшла в рідку фазу, виявилося б, що ми живемо на 10-метровій глибині. Велика удача, що крізь такий товстий шар речовини хоч щось взагалі видно. Тривалий час людина навіть не здогадувалася, що не бачить багатьох речей на зоряному небі через обмежені можливості свого ока — воно сприймає лише дуже вузький діапазон електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі від однієї третини до двох третин мікрона. У цьому діапазоні найяскравішим є Сонце, а атмосфера майже прозора.
Щоб побачити те, чого не можна спостерігати візуально, треба було придумати спеціальні пристосування та «вийти» за межі атмосфери Землі. Адже для більшості електромагнітних хвиль наша атмосфера не прозоріша за бетонну стіну.
Багато століть поспіль астрономи спостерігали зоряне небо через вузьке «оптичне вікно» атмосфери. З ХІХ ст. Всесвіт почали вивчати крізь «вікно прозорості» в інфрачервоних променях. Радіоастрономія виникла на початку 30-х років ХХ ст. й уможливила дослідження небесних об'єктів крізь ще одне вікно прозорості — «радіовікно», яке майже в десять мільйонів разів ширше, ніж оптичне.
Від початку космічної ери (1957 р.), коли з'явилася можливість відправити за межі атмосфери Землі наукові прилади, астрономи отримали змогу виконувати спостереження небесних тіл у всьому діапазоні електромагнітного спектра.
Новим джерелом інформації в астрономії віднедавна (2015) є гравітаційні хвилі — зміни (флуктуації) простору-часу. Їх у 1917 р. теоретично передбачив А. Айнштайн. Гравітаційні хвилі виникають тоді, коли будь-які рухи матеріальних тіл спричиняють неоднорідні зміни сили тяжіння в навколишньому просторі. Це може бути, наприклад, обертання тіла або системи тіл, несиметричних відносно осі обертання.
До таких систем належать тісні подвійні зорі, а надто ті, компонентами яких є нейтронні зорі або чорні діри. Потужність гравітаційного випромінювання такої системи зростає в зворотній пропорції до п'ятого степеня її діаметра. Ще краще, якщо траєкторії зір сильно витягнуті. Потужні сплески гравітаційних хвиль виникають під час несиметричного колапсу масивної зорі перед спалахом Наднової (ч. 2, § 20), під час злиття нейтронних зір або чорних дір (ч. 2, § 22).
НАВЧАЛЬНІ ЗАВДАННЯ
• Чому астрономи тривалий час для спостережень небесних тіл використовували тільки видиме світло?
• Як пояснити те, що високо в горах людина бачить більше зір, ніж на рівнині?
• Поясніть, які умови потрібно було створити для того, щоб астрономія стала всехвильовою наукою?
ВИСНОВКИ
Інформацію про Всесвіт астрономам приносять електромагнітне випромінювання, космічні частинки, нейтрино та гравітаційні хвилі. Завдяки винесенню різних приладів за межі земної атмосфери, астрономія розширила вікна прозорості й стала всехвильовою наукою.
