Підручник з Астрономії (рівень стандарту). 11 клас. Пришляк

Передмова

Юні друзі!

Ви починаєте вивчення однієї з найбільш давніх і цікавих наук — астрономії, яка досліджує природу, походження та еволюцію як окремих небесних тіл, так і Всесвіту в цілому. У підручнику ви здійсните своєрідні космічні мандри крізь простір і час.

Так, у розділах:

• «Що вивчає астрономія?» ви розглянете історію зародження науки астрономії та еволюцію уявлень людини про Всесвіт;

• «Основи практичної астрономії» і «Вимірювання часу та календар» ви навчитесь розпізнавати сузір’я на нічному небі й за допомогою небесних світил орієнтуватись на місцевості та вимірювати час;

• «Закони руху планет» і «Основи космонавтики» ви вивчите основні закони «небесної механіки», адже всі космічні тіла, супутники та космічні кораблі рухаються згідно із законом всесвітнього тяжіння, який ви вивчали в курсі фізики. Ви дізнаєтесь, який вагомий вклад в освоєння космосу зробили видатні українські вчені.

В астрофізичних розділах ви дізнаєтесь, які фізичні умови існують на поверхні планет Сонячної системи, чому навколо планет існують кільця, як народжуються нові зорі й перетворюються у пил планетні системи.

Окрім того, у підручнику ви знайдете відповіді на такі цікаві питання:

• Чи існувала між Юпітером і Марсом планета Фаетон?

• Чому 65 млн років тому загинули динозаври?

• Що впливає на зміну клімату на Землі?

• Скільки часу ще буде світити Сонце?

• Як долетіти до чорної діри?

• Що загрожує існуванню земної цивілізації?

• Чи існують у Всесвіті «темна енергія» і «темна матерія»?

До кожного розділу додаються тести, перевірочні запитання та астрономічні задачі.

Підручник містить докладні відомості про телескопи, що дозволяють дослідити поверхню Місяця, супутники Юпітера, кільця Сатурна, а також спостерігати галактики, які розташовані на відстані десятків мільйонів світлових років від Землі.

На форзацах підручника подано електронні адреси астрономічних обсерваторій України та інших країн світу. За допомогою мережі Інтернет можна отримати фото небесних світил, зроблені не тільки телескопами з поверхні Землі, але й за допомогою космічного телескопа Габбла (http://www.stsci.edu/hst/).

Звертаємо особливу увагу, що під час астрономічних спостережень не можна дивитися на Сонце ні в телескоп, ні неозброєним оком.

§ 1. Що вивчає астрономія?

Вивчивши цей параграф, ми:

• побачимо далекі космічні світила й уявимо собі величезні масштаби Всесвіту, у якому ми живемо;

• дізнаємось про місце нашої планети у Всесвіті, та визначимо нашу космічну адресу.

1. Предмет астрономи

Назва астрономія походить з грецької мови (astron — зоря, nomos — закон), тобто це наука, яка вивчає закони зір. Зараз відомо, що у Всесвіті крім зір (рис. 1.1) існує ще багато інших космічних тіл та їхніх комплексів — планет, астероїдів, комет, галактик, туманностей. Тому астрономи вивчають усі об’єкти, які розташовані за межами Землі, та їхню взаємодію між собою. Слово космос у перекладі з грецької означає порядок, на відміну від хаосу, де панує безлад. Тобто ще в Давній Греції вчені розуміли, що у Всесвіті діють якісь закони, тому на небі існує певний порядок. У наш час під словом космос ми уявляємо собі Всесвіт.

У сучасній астрономії використовуються різноманітні методи дослідження Всесвіту. Астрономи не тільки збирають інформацію про далекі світи, вивчаючи випромінювання, яке надходить із космосу до поверхні Землі, але й проводять експерименти у навколишньому та далекому космічному просторі.

Всесвіт у широкому розумінні цього слова — все суще, що розташоване на Землі та за її межами

Рис. 1.1. Зоря — масивне гаряче космічне тіло, яке випромінює світло і має всередині джерело енергії. (Фотографія Сонця)

2. Коротка історія астрономії

З давніх-давен небо вражало уяву людей своєю загадковістю, але багато століть воно залишалось для них недосяжним, а тому священним. Фантазія людей населила небо могутніми істотами — богами, які керують світом і навіть вирішують долю кожної людини. Вночі примарне сяйво зір зачаровувало людей, тому вигадка прадавніх астрономів об’єднала окремі зорі у фігури людей і тварин — так з’явились назви сузір’їв. Потім були помічені світила, що рухаються серед зір,— їх назвали планетами (з грец.— блукаюча; рис. 1.2).

Перші спроби пояснити таємничі небесні явища були зроблені в Давньому Єгипті понад 4000 років тому та у Давній Греції ще до початку нашої ери. Єгипетські жерці склали перші карти зоряного неба (рис. 1.3), дали назви планетам.

Великий давньогрецький філософ і математик Піфагор у VI ст. до н. е. висунув ідею, що Земля має форму кулі й «висить» у просторі, ні на що не спираючись. Астроном Гіппарх у II ст. до н. е. визначив відстань від Землі до Місяця та відкрив явище прецесії осі обертання Землі.

Давньогрецький філософ Клавдій Птолемей (рис. 1.4) у II ст. н. е. створив геоцентричну систему світу, у якій Земля розміщується у центрі. Землю у просторі оточують 8 сфер, на яких розташовані Місяць, Сонце та 5 відомих у ті часи планет: Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн (рис. 1.6). На 8-й сфері розміщуються зорі, які з’єднані між собою і обертаються навколо Землі як єдине ціле.

Рис. 1.2. Планета — холодне в порівнянні із зорею космічне тіло, що обертається навколо зорі й світиться її відбитими променями

Рис. 1.3. Частина давньої карти зоряного неба. Принцесу Андромеду принесли в жертву чудовиську Киту. Врятував красуню Персей, який відрубав голову медузі Горгоні, від погляду якої все кам'яніло

Рис. 1.4. Птолемей (90—160)

Рис. 1.5. М. Коперник (1473—1543)

У XVI ст. польський астроном Миколай Коперник (рис. 1.5) запропонував геліоцентричну систему світу, у якій у центрі розташоване Сонце, а планета Земля та інші планети обертаються навколо нього по колових орбітах (рис. 1.7).

Геніальність відкриття Коперником геліоцентричної системи світу полягала в тому, що він, зруйнувавши межу між небом і Землею, висунув гіпотезу, що у Всесвіті діють одні й ті самі закони, справедливі як на Землі, так і в космосі.

У 1609 р. італійський фізик Галілео Галілей (рис. 1.8) уперше використав телескоп для спостереження за небесними світилами, відкрив супутники Юпітера та побачив зорі в Молочному Шляху.

XVIII ст. в історії астрономії пов’язане з іменем англійського вченого Ісаака Ньютона (рис. 1.9), який відкрив основні закони механіки та закон всесвітнього тяжіння. Заслуга Ньютона полягає в тому, що він довів універсальність сили тяжіння, або гравітації, тобто та сама сила, яка діє на яблуко під час його падіння на Землю, притягує також Місяць, що обертається навколо Землі. Сила тяжіння керує рухом зір і галактик, а також впливає на еволюцію цілого Всесвіту.

Рис. 1.6. Геоцентрична система світу: у центрі Земля, а всі інші небесні тіла обертаються навколо неї. (Стародавня гравюра)

Рис. 1.7. Геліоцентрична система світу: у центрі розташоване Сонце. Земля разом із планетами обертається навколо нього. (Гравюра XVII ст.)

Рис. 1.8. Г. Галілей (1564—1642)

Рис. 1.9. І. Ньютон (1643—1727)

У XIX ст. почався новий етап у вивченні космосу, коли у 1814 р. німецький фізик Йозеф Фраунгофер відкрив лінії поглинання у спектрі Сонця — фраунгоферові лінії (рис. 1.10), потім лінії поглинання були виявлені у спектрах інших зір. За допомогою спектрів астрономи визначають хімічний склад, температуру і навіть швидкість руху космічних тіл.

Створення у XX ст. видатним німецьким фізиком Альбертом Айнштайном (у російськомовній літературі — Эйнштейн) загальної теорії відносності допомогло астрономам збагнути дивне червоне зміщення ліній поглинання у спектрах далеких галактик, що було відкрите американським астрономом Едвіном Габблом у 1929 р. Габбл довів, що галактики розлітаються, і пізніше вчені створили теорію еволюції Всесвіту від його зародження до сьогодення. Це дало поштовх до створення нової науки — космології.

4 жовтня 1957 р. почалась ера космонавтики. Цього дня у Радянському Союзі було запущено в космос перший у світі штучний супутник Землі (рис. 1.11), у створенні якого брали участь також українські вчені, інженери та робітники. Сьогодні в космосі літають сотні автоматичних станцій, які досліджують не тільки навколоземний простір, але й вивчають інші планети Сонячної системи.

Рис. 1.10. Спектр Сонця. Темні лінії поглинання утворюються в атмосферах Землі й Сонця

Рис. 1.11. Перший у світі штучний супутник Землі (СРСР)

3. Наша космічна адреса

Ми живемо на Землі — одній із планет, що належать до Сонячної системи. Ці планети рухаються по своїх орбітах навколо Сонця. Більшість планет (крім Венери і Меркурія) мають супутники, які обертаються навколо своєї планети. До Сонячної системи крім Сонця і планет із супутниками входять також сотні тисяч астероїдів, або малих планет, мільйони кометних ядер та метеорна речовина. Щодо Сонця планети розташовуються у такій послідовності: найближча — Меркурій, за ним — Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Відносні розміри Сонця і планет Сонячної системи. Середній радіус Землі — 6370 км

За Нептуном навколо Сонця обертаються ще тисячі малих планет, які майже не освітлюються промінням Сонця.

Відстані в космічному просторі такі великі, що вимірювати їх у звичайних для нас метрах чи кілометрах незручно, тому астрономи вибрали одиницями вимірювання астрономічну одиницю та світловий рік.

За межами Сонячної системи, на відстані більше ніж 100 000 а. о., починається зона тяжіння інших зір. Неозброєним оком на небі можна побачити близько 6000 зір, які утворюють на небі 88 сузір’їв. Насправді зір набагато більше, але від далеких світил надходить так мало світла, що їх можна спостерігати тільки в телескоп. Великі скупчення зір, що утримуються силою тяжіння, називають галактиками.

Астрономічна одиниця (а. о.) — середня відстань від Землі до Сонця.

1 а. о. ≈ 150 • 10⁶ км

Світловий рік (св. рік) — відстань, яку долає світло за 1 рік, рухаючись зі швидкістю 300000 км/с.

1 св. рік ≈ 10¹³ км

У Всесвіті перебувають мільярди галактик, серед яких є і наша Галактика (пишеться з великої літери), яку називають Молочний, або Чумацький Шлях. На нічному небі ми бачимо її як сріблясту смугу (рис. 1.13). Наша Галактика (з грец.— Молочний Шлях) — це величезна система, у якій обертаються навколо центра 400 млрд зір. Гарячі зорі розміщені у вигляді диска зі спіральними рукавами.

З інших галактик, які можна побачити неозброєним оком, виділяється Туманність Андромеди. Ця зоряна система за розмірами та формою подібна до нашої Галактики, і світло від неї долітає до Землі за 2,3 млн років, тобто відстань до неї — 2,3 млн св. років. Галактики розташовані в скупченнях і формують комірчасту структуру Всесвіту.

Найбільш віддалені космічні об’єкти, які ще можна побачити у сучасні телескопи,— квазари (див. §15). Вони розташовані від нас на відстані 10 млрд св. років.

Інші галактики — зоряні системи, які складаються з мільярдів зір, що обертаються навколо спільного центра

Рис. 1.13. Галактика Молочний Шлях. Діаметр основної частини диска — 100000 св. років, відстань від Сонця до центра Галактики — 25000 св. років

Якщо в майбутньому земляни захочуть обмінюватися інформацією з іншими світами, то нашу космічну адресу можна записати так: Україна, планета Земля, Сонячна система, Галактика, Всесвіт (рис. 1.14).

Для допитливих

У Всесвіті зареєстровано близько 10 млрд галактик. Якщо у кожній галактиці налічується у середньому 10¹¹ зір, то загальна кількість зір у Всесвіті сягає фантастичної цифри — 10²¹. Це астрономічне число з 21 нулем уявити собі важко, тому можна порадити таке порівняння. Якщо розділити всі зорі у Всесвіті на кількість людей на Землі, то кожний із нас був би володарем однієї галактики, тобто приблизно 200 млрд зір.

4. Основні розділи астрономії

Сучасна астрономія — надзвичайно розгалужена наука, розвиток якої безпосередньо пов’язаний з науково-технічним прогресом людства. Астрономія поділяється на окремі підрозділи (або напрями), у яких використовуються властиві лише їм методи та засоби дослідження.

Космологія — розділ астрономії, у якому вивчають будову та еволюцію Всесвіту як єдиного цілого. Можливо, що в майбутньому космологія об’єднає всі природничі науки — фізику, математику, хімію, біологію, філософію, для того щоб дати відповідь на основні проблеми нашого буття (див. §15, 16, 17):

— Як виник цей світ, у якому ми живемо, і чому він є таким, яким ми його зараз спостерігаємо?

— Як виникло життя на Землі, і чи існує життя у Всесвіті?

— Що чекає наш Всесвіт у майбутньому?

Астрометрія — розділ астрономії, що вивчає положення і рух небесних тіл та їхніх систем

Небесна механіка — розділ астрономії, що вивчає закони руху небесних тіл

Астрофізика — розділ астрономії, що вивчає природу космічних тіл: їхню будову, хімічний склад, фізичні властивості

Космологія вивчає будову та еволюцію Всесвіту як єдиного цілого

Для допитливих

Іноді астрономію споріднюють з астрологією, бо вони мають схожі назви. Насправді між астрономією та астрологією існує суттєва відмінність: астрономія — це наука, яка вивчає походження та еволюцію космічних тіл, а астрологія не має нічого спільного з наукою, оскільки вважає, що за допомогою зір начебто можна передбачити майбутнє. Астрологи малюють різноманітні схеми розташування зір та планет і складають гороскопи (з грец.— заглянути в майбутнє), за допомогою яких пропонують передбачити долю кожної людини.

Рис. 1.14. Наша космічна адреса

Висновки

Астрономія — це наука, яка вивчає різноманітні космічні тіла та їхні системи, а також процеси, що відбуваються при взаємодії цих тіл між собою. Протягом останнього тисячоліття уявлення людей про Всесвіт суттєво змінились — від геоцентричної системи світу Птолемея з кришталевими сферами навколо Землі, до сучасної величної картини безмежного космосу. Астрономія тісно пов'язана з іншими природничими науками — фізикою, хімією, математикою, біологією, філософією, бо на Землі й у космосі діють одні й ті самі закони природи. У нашому Всесвіті нічого вічного не існує — утворюються і вибухають зорі та планети, народжуються та гинуть цивілізації... Вічним залишається тільки одне питання: «Чому існує Всесвіт, і чому в цьому дивному світі живемо ми?».

Тести

1. Яке тіло розташоване в центрі геоцентричної системи світу?

А. Сонце. Б. Юпітер. В. Сатурн. Г. Земля. Д. Венера.

2. Яку планету відкрив Коперник?

А. Марс. Б. Сатурн. В. Уран. Г. Землю. Д. Юпітер.

3. Що вимірюється світловими роками?

А. Час. Б. Відстань до планет. В. Період обертання. Г. Відстань до зір. Д. Відстань до Землі.

4. Як перекладається з грецької мови слово планета?:

А. Волохата зоря. Б. Хвостата зоря. В. Блукаюча. Г. Туманність. Д. Холодне тіло.

5. Яку структуру має наша Галактика?

А. Еліптичну. Б. Спіральну. В. Неправильну. Г. Кулясту. Д. Циліндричну.

6. Яка різниця між геоцентричною та геліоцентричною системами світу?

7. У якій послідовності відносно Сонця розташовані планети Сонячної системи?

8. Чи можуть існувати тіла за межами орбіти Нептуна?

9. Що вимірюється астрономічними одиницями?

10. Обчисліть точне значення величини (до третього знака) 1 св. року в кілометрах.

11. Обчисліть, за який час світло долітає від Сонця до Землі; до Нептуна; до межі Сонячної системи. Швидкість світла вважати рівною 300000 км/с.

Диспути на запропоновані теми

12. Що таке астрологія? На вашу думку, чи можна вважати астрологію наукою?

Завдання для спостережень

13. Самостійно відшукайте на небі яскраві зорі, які позначені на карті зоряного неба. Зарисуйте яскраві зорі на небосхилі, які розташовані у вас над головою. Порівняйте ваші рисунки з картою зоряного неба. До яких сузір'їв належать ці яскраві зорі?

14. Знайдіть серед яскравих зір таку, яка не позначена на зоряній карті. Це може бути якась планета або, можливо, ви відкрили нову зорю?!

Ключові поняття і терміни:

Астрономічна одиниця, астрофізика, Галактика, геліоцентрична система світу, геоцентрична система світу, зоря, небесна механіка, планета, світловий рік.