Підручник з Астрономії. 11 клас. Сиротюк - Нова програма

Вступ

Астрономія - одна з найдавніших наук, що вивчає об’єкти і явища, спостережувані у Всесвіті, зародилася на практичних потребах людини та бажаннях пізнати довкілля. Її внесок у розвиток цивілізації та роль у формуванні світогляду людини важко переоцінити.

Головною метою вивчення астрономії є формування загальнокультурної компетентності, наукового світогляду та основ системи знань про методи й результати вивчення законів руху, фізичної природи, еволюції небесних тіл та Всесвіту в цілому.

Цей безмежний і постійно мінливий світ ми називаємо Всесвіт. Поняття «всесвіт» містить у собі й Землю з іншими планетами, Сонце та зорі, галактики і середовище, у якому вони перебувають. Наша планета Земля, і ми разом з нею є частиною цього Всесвіту.

Люди завжди прагнули зрозуміти природу спостережуваних об’єктів і явищ, тому будували картину довколишнього світу відповідно до тих знань, якими володіли. Поступово з появою нових фактів і теорій, а також з можливістю перевірки цих теорій через спостереження та вимірювання, з використанням досягнень суміжних з астрономією наук (особливо фізики) картина поглядів на світ уточнювалася й змінювалася. Іноді це було революційне ламання віджитих уявлень про світобудову - наприклад, теорія геліоцентричної системи Коперника.

У наш час астрономія використовує дедалі більш сучасну дослідницьку техніку та інформаційно-комунікаційні технології. Сучасні приймачі випромінювання передають інформацію безпосередньо в комп’ютери та інші електронні пристрої. Спостереження ведуться в різних діапазонах електромагнітного випромінювання: радіодіапазоні, інфрачервоних, видимих, ультрафіолетових, рентгенівському й гамма-променях. Відкрито нові об’єкти (чорні діри, нейтронні зорі), виявлено несподівані властивості в багатьох уже відомих тіл, створено умови для прямого дослідження ряду об’єктів Сонячної системи тощо. І що більше астрономи стикаються з невідомим і відкривають нове, то більше з’являється запитань, які потребують відповіді.

Сучасна астрономія вивчає досить далекі космічні об’єкти, і разом з тим вона не відірвана від Землі. Для людства важливо досліджувати активність Сонця і його вплив на земні процеси, відповісти на ряд запитань: чи є життя на інших планетах, як космос впливає на розвиток усього живого? тощо.

Професійних астрономів у світі небагато, їх значно менше, ніж фізиків, хіміків, біологів, математиків і представників інших наук, зате за всіх часів було багато аматорів, які активно спостерігають зорі й планети і згодом стають професіоналами. Початкове ознайомлення з астрономією у школі допоможе одержати найнеобхідніші відомості й знання про цю давню та вічно юну науку, що постійно розвивається, розкриваючи перед людством таємниці Всесвіту.

§ 1. ПРЕДМЕТ АСТРОНОМІЇ. ЇЇ РОЗВИТОК І ЗНАЧЕННЯ В ЖИТТІ СУСПІЛЬСТВА. КОРОТКИЙ ОГЛЯД ОБ’ЄКТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ В АСТРОНОМІЇ

1. Астрономія - фундаментальна наука, яка вивчає об’єкти Всесвіту та Всесвіт у цілому. Астрономія досліджує небесні об’єкти, явища й процеси, що відбуваються у Всесвіті. Люди здавна намагалися розгадати таємницю довколишнього світу, визначити своє місце у світовому порядку Всесвіту, що давньогрецькі філософи називали Космосом. Пильно спостерігали за тим, як сходить і заходить Сонце, за порядком зміни фаз Місяця - адже від цього залежало їхнє життя та трудова діяльність. Людей цікавив незмінний добовий рух зір, але лякали непередбачені явища - затемнення Місяця й Сонця, поява яскравих комет. Особливо сильне враження на людину справляли такі явища, в основі яких лежали ще невідомі науці форми існування матерії, не відомі природні процеси.

Астрономія (від грец. αστρον - «зоря», «світило», νομος - «закон») - фундаментальна наука, що вивчає будову, рух, походження та розвиток небесних тіл, їхніх систем і всього Всесвіту в цілому.

Астрономія як наука є важливим видом людської діяльності, що дає систему знань про закономірності в розвитку природи.

Мета астрономії - вивчити походження, будову й еволюцію Всесвіту.

Важливими завданнями астрономії є пояснення та прогнозування астрономічних явищ, наприклад сонячних і місячних затемнень, появи періодичних комет, проходження поблизу Землі астероїдів, великих метеорних тіл або ядер комет тощо. Астрономія вивчає фізичні процеси, що відбуваються в надрах планет, на поверхні та в їхніх атмосферах, щоб краще зрозуміти будову й еволюцію нашої планети. Вісім великих планет (серед яких Земля), карликові планети, їхні супутники, астероїди, метеорні тіла, комети, міжпланетний пил і польові форми матерії разом із Сонцем становлять гравітаційно пов’язану Сонячну систему. Дослідження руху небесних тіл дає змогу з’ясувати питання про стійкість Сонячної системи, про ймовірності зіткнення Землі з астероїдами та ядрами комет. Не втрачає актуальності відкриття нових об’єктів Сонячної системи й вивчення їхнього руху.

Важливими є знання процесів, що відбуваються у Сонці, і прогнозування їхнього подальшого розвитку, адже від цього залежить існування всього живого на Землі. Вивчення еволюції інших зір і порівняння їх із Сонцем допомагають пізнати етапи розвитку нашого світила.

Дослідження нашої зоряної Галактики та інших галактик дає змогу визначити її тип, еволюцію, місце, що займає в ній Сонячна система, імовірність близького проходження від Сонця інших зір або проходження його самого через міжзоряні хмари газу й пилу.

Отже, астрономія вивчає будову й еволюцію Всесвіту. Під терміном «всесвіт» ми розуміємо частину простору, що включає в себе всі доступні для вивчення небесні тіла та їхні системи.

2. Історія розвитку астрономії. Галузі астрономії. Зв’язок астрономії з іншими науками. Астрономія виникла в далеку давнину. Відомо, що ще первісні люди спостерігали зоряне небо і потім на стінах печер малювали те, що бачили. З розвитком людського суспільства, з виникненням землеробства з’явилася потреба в рахунку часу, у створенні календаря. Помічені закономірності в русі небесних світил, зміні фаз Місяця дали змогу стародавній людині визначити одиниці часу (доба, місяць, рік) і вирахувати настання певних сезонів року, щоб своєчасно провести посівні роботи та зібрати врожай.

Спостереження зоряного неба з найдавніших часів формувало людину як особистість, яка вміє мислити. Орієнтація в просторі й часі за Сонцем, іншими зорями та Місяцем доступна тваринам на рівні рефлексів, і лише людині властиво пророкувати земні явища за небесними спостереженнями. Так, у Давньому Єгипті з появою на передранковому небі зорі Сіріус жреці пророкували періоди весняних розливів Нілу - час землеробських робіт. В Аравії, де через денну спеку багато робіт переносилося на нічний час, істотну роль відігравало спостереження фаз Місяця.

Мал. 1. Стоунхендж - стародавня астрономічна площадка

Мал. 2. Буена Віста

Мал. 3. Піраміда та обсерваторія, місто Чичен-Іца

У країнах, де було розвинуте мореплавство, особливо до винаходу компаса, значна увага приділялася способам орієнтування за зорями.

У письмових документах (ІІІ—ІІ тисячоліття до н. е.) найдавніших цивілізацій: Єгипту, Вавилону, Китаю, Індії та Америки є сліди астрономічної діяльності. У різних місцях Землі наші предки залишили спорудження з кам’яних брил й оброблених стовпів, які орієнтовані на відповідні астрономічні напрямки. Ці напрямки збігаються, наприклад, з точками сходу Сонця в дні рівнодень і сонцестоянь. Подібні кам’яні сонячно-місячні покажчики знайдено на півдні Великої Британії (Стоунхендж, мал. 1).

Аналогічні площадки, що використовувалися для астрономічних спостережень і відправлень культових обрядів, виявлено на багатьох материках. Наприклад, Буена Віста (мал. 2) - найстаріша обсерваторія Західної півкулі, яка розміщувалася в перуанських Андах у кількох кілометрах від Ліми. З огляду на те, що вік обсерваторії датується 4200 роками, вона передувала цивілізації інків на 3000 років.

Місто майя Чичен-Іца було побудовано, щоб приймати «відвідувачів з неба». Найцікавішою спорудою в місті є ступінчаста Піраміда Кукулькана (мал. 3). Тисячі туристів двічі на рік приїжджають до цієї піраміди, щоб подивитися на світлове шоу, яке відбувається під час осіннього й весняного рівнодення. У цей час промені Сонця падають на західну балюстраду головних сходів Піраміди Кукулькана так, що світло й тінь утворюють зображення 37-метрової змії, яка складається з трикутників. Протягом 7 годин, з пересуванням Сонця, тіньова змія повзе до основи піраміди, де з’єднується з безліччю вирізаних у камені змієголових істот.

Також у Чичен-Іца було зведено циліндричну обсерваторію Ель-Караколь (Равлик), яка за всіма ознаками використовувалася для спостереження руху Венери на небосхилі.

Як і будь-яка інша наука, астрономія включає ряд розділів, тісно пов’язаних між собою. Вони відрізняються один від одного предметом дослідження, а також методами й засобами пізнання. Розглянемо виникнення та розвиток розділів астрономії в історичному аспекті.

Правильні наукові дані про Землю як небесне тіло з’явилися в Давній Греції. Александрійський астроном Epaтocфeн (275-194 рр. до н. е.) у 240 р. до н. е. досить точно визначив за спостереженнями Сонця розміри земної кулі.

Гіпатія Алексамнрійська

Гіпатія Александрійська (370-415), яка вивчала математику, астрономію, механіку і філософію, займалася обчисленням перших астрономічних таблиць.

Геліоцентрична система світу Міколая Коперника (1473-1543), яку астроном виклав у праці «Про обертання небесних сфер» (1543 р.), дала ключ до пізнання Всесвіту. Однак століттями укорінена думка про нерухому Землю як центр Всесвіту довго не поступалася новим прогресивним науковим даним. Остаточно затвердив теорію Коперника, одержавши безперечні докази її істинності, італійський фізик, механік й астроном Галілео Галілей (1564-1642). Астрономічні відкриття Галілей зробив за допомогою найпростішого телескопа. На Місяці вчений побачив гори й кратери, відкрив 4 супутники Юпітера. Зміна фаз Венери, яку виявив учений, свідчила про те, що ця планета обертається навколо Сонця, а не навколо Землі.

Сучасник Галілея Иоганн Кеплер (1571-1630) (будучи асистентом великого астронома Тихо Браге) одержав доступ до високоточних результатів спостережень планет, що проводилися понад 20 років. Особливо Кеплера зацікавив Марс, у русі якого виявилися значні відступи від усіх колишніх теорій. Після тривалих обчислень ученому вдалося вивести закони руху планет. Ці три закони зіграли важливу роль у розвитку знань про будову Сонячної системи.

Розділ астрономії, що вивчає рух небесних тіл, одержав назву нeбecнa механіка.

Небесна механіка дала змогу пояснити й попередньо обчислити з дуже високою точністю майже всі рухи, спостережувані як у Сонячній системі, так і в Галактиці.

В астрономічних спостереженнях використовувалися більш удосконалені телескопи. Зорову трубу Галілея вдосконалив Кеплер, а потім Крістіан Гюйгенс (1629-1695). Ісаак Ньютон (1643-1727) винайшов новий вид телескопа - телескоп-рефлектор. За допомогою модернізованих оптичних приладів було зроблено нові відкриття, які належать не тільки до тіл Сонячної системи, але й до слабких і далеких зір.

У 1655 р. Гюйгенс розглянув кільця Сатурна й відкрив його супутник Титан. У 1761 р. Михайло Ломоносов (1711-1765) відкрив атмосферу у Венери й провів дослідження комет. Приймаючи за еталон Землю, учені порівнювали її з іншими планетами й супутниками. Так зароджувалася наука планетологія.

Відкриття спектрального аналізу дало змогу вивчати фізичну природу й хімічний склад зір. Детальні дослідження темних ліній у спектрі Сонця, які виконав німецький учений Йозеф Фраунгофер (1787-1826), стали першим кроком в одержанні спектральної інформації про небесні тіла. Швидкий розвиток лабораторної спектроскопії та теорії спектрів атомів і йонів на основі квантової механіки привів до розвитку на цій основі фізики зір і, у першу чергу, фізики зоряних атмосфер. У 60-ті рр. XIX ст. спектральний аналіз стає основним методом у вивченні фізичної природи небесних тіл.

Розділ астрономії, що вивчає фізичні явища й хімічні процеси, що відбуваються в небесних тілах, їхніх системах у космічному просторі, називають астрофізикою.

Подальший розвиток астрономії пов’язаний з удосконаленням техніки для спостережень. Значних успіхів було досягнуто у створенні нових типів приймачів випромінювання різних діапазонів частот. Фотоелектронні помножувачі, електронно-оптичні перетворювачі, методи електронної фотографії та телебачення підвищили точність і чутливість фотометричних спостережень, що ще більше розширило спектральний діапазон досліджуваних випромінювань.

Завдяки гравітаційному лінзуванню став доступний для спостережень світ далеких галактик, що перебувають на відстані мільярдів світлових років. Виникли нові напрямки астрономії: зоряна астрономія, космологія й космогонія.

Зоряна астрошомія вивчає закономірності в просторовому розподілі й русі зір у нашій зоряній системі — Галактиці, досліджує властивості й розподіл інших зоряних систем.

Kосмологія — розділ астрономії, що вивчає походження, будову та еволюцію Всесвіту як єдиного цілого.

Висновки космології ґрунтуються на законах фізики й даних спостережливої астрономії, а також на всій системі знань певної епохи. Інтенсивно цей розділ астрономії став розвиватися в першій половині XX ст., після того як Альберт Ейнштейн розробив загальну теорію відносності.

Космогонія — розділ астрономії, що вивчає походження і розвиток небесних тіл та їхніх систем.

Оскільки всі небесні тіла виникають і розвиваються, ідеї про їхню еволюцію тісно пов’язані з даними про природу цих тіл узагалі. Під час дослідження зір і галактик використовують результати спостережень багатьох подібних об’єктів, що виникають у різний час і перебувають на різних стадіях розвитку. У сучасній космогонії широко застосовуються закони фізики і хімії.

Астрономія тісно пов’язана з іншими науками. Знання, які набули астрономи, протягом тисячоліть часто ставали у пригоді представникам інших наук, і, навпаки, досягнення фізики, математики, хімії, космонавтики суттєво вплинули на розвиток астрономії. Вивчаючи астрономію, ви переконаєтесь у цьому.

Нагромадження та обробка значної кількості інформації про певні об’єкти Всесвіту є предметом таких розділів астрономії, як фізика Сонця, фізика планет, фізика зір і туманностей, кометна астрономія, метеорна астрономія, метеоритика. Земля може розглядатися як одна з планет Сонячної системи - у цьому виражається зв’язок астрономії з географією і геофізикою. Кліматичні й сезонні зміни погоди, магнітні бурі, потепління, льодовикові періоди - для вивчення всіх цих та ще багатьох явищ географи використовують астрономічні знання.

3. Значення астрономії для формування світогляду та культури людини. За всіх часів астрономія дуже впливала на практичну діяльність людини, але головне її значення полягало й полягає у формуванні наукового світогляду та розвитку дослідницької діяльності.

Це можна простежити, розглядаючи розвиток окремих розділів астрономії.

Методи орієнтування, розроблені практичною астрономією, застосовуються в мореплаванні, авіації та космонавтиці. Вимоги до точності визначення координат небесних об’єктів (зір, квазарів, пульсарів) значно зросли у зв’язку з тим, що за ними орієнтуються космічні автоматичні апарати, швидкості яких непорівнянні із земними. У зв’язку з освоєнням тіл Сонячної системи виникає потреба скласти карти Місяця, Марса, Венери та інших небесних тіл.

Робота служби часу, у завдання якої входить вимірювання, зберігання і передача сигналів точного часу, також пов’язана з астрономією. Атомні годинники, точність яких сягає 10^-13 с, дають змогу вивчати річні й вікові зміни обертання Землі та вносити виправлення в одиниці часу.

З освоєнням космічного простору збільшується число завдань, розв’язувати які покликана небесна механіка. Одне з них - вивчення відхилень орбіт штучних супутників Землі (ШСЗ) від розрахованих. Зміна висоти польоту ШСЗ над земною поверхнею залежить від середньої густини порід, які залягають у земних надрах, що вказує на райони пошуку нафти, газу або залізної руди.

Дослідження атмосфер тіл Сонячної системи допомагає краще пізнати закони динаміки атмосфери Землі, точніше побудувати її модель, а отже, упевненіше передбачати погоду.

Розвиток астрофізики стимулює розробку новітніх технологій. Так, дослідження джерел енергії Сонця та інших зір підказало ідею створення керованих термоядерних реакторів. У процесі вивчення сонячних протуберанців народилася ідея теплоізоляції надгарячої плазми магнітним полем, створення магнітогідродинамічних генераторів. Результати спостережень Служби Сонця - міжнародної координувальної мережі з реєстрації активності Сонця - використовуються в метеорології, космонавтиці, медицині та інших галузях діяльності людини.

Земля - унікальна планета, де в процесі еволюції виникла людська цивілізація, природа Землі - унікальна, тому й величезна відповідальність лежить на людях за її збереження.

4. Об’єкти дослідження та просторово-часові масштаби в астрономії. Після Другої світової війни почала бурхливо розвиватися радіофізика (фізика радіохвиль). Удосконалені приймачі, антени й радіолокатори, що залишилися після війни, могли приймати радіовипромінювання Сонця й далеких космічних об’єктів. Так виникла радіоастрономія - одна з галузей астрофізики. Впровадження радіоспостережень в астрономію збагатило її безліччю видатних відкриттів.

Новим імпульсом у розвитку астрономічних спостережень став вихід космічних апаратів і людини в космос. Наукові прилади й телескопи, встановлені на космічних апаратах (мал. 4), дали змогу досліджувати ультрафіолетове, рентгенівське й гамма-випромінювання Сонця, інших зір і галактик. Ці спостереження за межами земної атмосфери, що поглинає короткохвильове випромінювання, надзвичайно розширили обсяг інформації про фізичну природу небесних тіл та їхніх систем.

Орбітальний телескоп «Габбл»

Космічний телескоп «Кеплер»

Космічна обсерваторія «Спектр-УФ»

Мал. 4.

Для вивчення та дослідження сучасної наукової астрономічної інформації доступне використання результатів спостережень провідних інститутів та обсерваторій світу через мережу Інтернет, включаючи обсерваторії Південної півкулі.

5. Псевдонауковість астрології та її завбачень. Ще з найдавніших часів людина цікавилася небесними явищами - рухом Сонця, Місяця, планет і зір, появами комет і метеорів, сонячними й місячними затемненнями. Власне, це були перші астрономічні спостереження, які сприяли становленню астрономічної науки.

Натомість астрологія (від грец. αστρον - «зоря», λογος - «слово»), що виникла в Месопотамії у II тисячолітті до н. е., була тісно пов’язана з астральними культами. В елліністичну епоху стали складати гороскопи, за якими начебто можна було завбачити долю людини відповідно до положення небесних світил у момент її народження. Проте варто зауважити: для складання гороскопів треба було знати положення світил, і це змушувало астрологів спостерігати за планетами і зорями, а отже, накопичувати астрономічні знання. Хоча в міру накопичення знань про природу Всесвіту і психологію людини було визнано ненауковість астрології, оскільки вважається, що в ній немає наукового методу та наукового способу пізнання.

Значним аргументом проти астрології є те, що астрологи користуються геоцентричною системою, яку відкинув ще в 1543 р. Коперник. Але жоден з астрологів не вважає Землю центром Сонячної системи (це було б нерозумно). В астрології діє принцип безпосереднього зв’язку Мікрокосму і Макрокосму, тобто ми з вами, наш організм, наша особистість підкоряються тим самим ритмам, за якими живе Всесвіт і Сонячна система зокрема. Ще в халдейському Зводі, написаному близько 4,5 тис. років тому, було описано принцип загальної тотожності, що говорить про єдність усього, що існує у світі: «Те, що вгорі, те й внизу». Але цей принцип не стверджує в чистому вигляді прямого впливу планет на людину та її долю - сенс його набагато ширший і глибший.

Землю оточують два радіаційних пояси - пояси Ван Аллена. Геннадій Скурідін (1927-1991) ще в 1971 р. у своїй монографії «Космічна фізика з новими акцентами» описав секторну структуру магнітного поля Землі, що складається із заморожених магнітних полів сонячної атмосфери, і взаємодію сонячного вітру з магнітними полями Землі. На денній стороні вони сягають близько 3 радіусів Землі, а на нічній - у 3 рази більше. Кордон земної магнітосфери через магнітні бурі зазнає великих коливань. Магнітні полюси Землі також переміщуються протягом дня. Переміщення Сонця, Місяця і планет Сонячної системи має великий вплив на напруженість магнітосфери Землі в її різних точках. Ще в 1968 р. учені встановили, що електромагнітні поля є носіями інформації в живій природі. Живі організми, у тому числі людина, помітно реагують на зміну навіть слабкого магнітного поля. Усі знають, як у період магнітних бур різко погіршується самопочуття багатьох людей.

Стародавні вчені зазначали, що Юпітер ніби протегує Землі: при його сприятливому впливі збільшувалися врожаї і приплід худоби. Астрофізика встановила, що Юпітер із супутником Іо утворює свого роду генератор, електромагнітні поля якого сприятливі для Землі. Сатурн вважали небезпечною планетою. И астрофізика виявила, що Сатурн з його кільцями виступає як гігантський прискорювач частинок: розганяє йони газів до величезної швидкості і викидає їх у простір, впливаючи не тільки на Землю, а й на інший космічний простір. Ці йони спричиняють погіршення здоров’я, епідемії, психологічний дискомфорт тощо.

Жоден астролог не може щось передбачити з абсолютною точністю, хіба що він ясновидець, як Нострадамус, тому що вплив космосу на земне життя є тільки модулюючим фактором. Таким чином, з моменту свого зародження, на даний час і в майбутньому астрологія залишиться псевдонаукою.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що вивчає астрономія? Перелічіть найважливіші особливості астрономії.
• 2. Як виникла наука астрономія? Схарактеризуйте основні періоди її розвитку.
• 3. Яка причина того, що саме астрономія є найстарішою із сучасних наук?
• 4. Яку роль відіграють спостереження в астрономії?
• 5. Які об’єкти та їхні системи вивчає астрономія? Перелічіть їх у порядку збільшення розмірів.
• 6. З яких розділів складається астрономія? Коротко схарактеризуйте кожний з них.
• 7. Яке значення астрономії для практичної діяльності людини?
• 8. Чим відрізняється астрономія від астрології?
• 9. Які вітчизняні й закордонні астрономічні сайти та портали ви знаєте?

Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України