Тема 2. Методи та засоби астрономічних досліджень

1. Випромінювання небесних тіл. Методи астрономічних досліджень

Випромінювання небесних тіл. У цій темі ми розглянемо основні методи, за допомогою яких астрономи збирають інформацію про події в далекому космосі. Виявляється, що основним джерелом такої інформації є електромагнітні хвилі та елементарні частинки, які випромінюють космічні тіла, а також гравітаційні й електромагнітні поля, за допомогою яких ці тіла між собою взаємодіють.

Сонце та зорі випромінюють електромагнітні хвилі різноманітної довжини. Планети та їхні супутники відбивають сонячне світло й самі випромінюють інфрачервоні промені й радіохвилі. Розріджені газові туманності випромінюють електромагнітні хвилі чітко визначеної довжини.

Випромінювання небесних тіл, що не доходить до поверхні Землі, досліджується за допомогою штучних супутників, наукових орбітальних станцій, які обертаються навколо нашої планети, а також за допомогою автоматичних міжпланетних станцій, спрямованих до планет Сонячної системи. Випромінювання, яке проходить крізь земну атмосферу, вчені досліджують безпосередньо з поверхні Землі.

Рис. 1.1. Спектр випромінювання зорі з температурою T = 5800 K. Западини на графіку відповідають темним лініям поглинання, які утворюють окремі хімічні елементи

Як відомо з курсу фізики, атоми можуть випромінювати або поглинати енергію електромагнітних хвиль різної частоти — від цього залежать яскравість і колір того чи іншого тіла. Для обчислення інтенсивності випромінювання вводиться поняття так званого чорного тіла, яке може ідеально поглинати й випромінювати електромагнітні коливання в діапазоні всіх довжин хвиль (безперервний спектр).

Рис. 1.2. Червоний карлик

Зорі випромінюють електромагнітні хвилі різної довжини λ, але в залежності від температури поверхні найбільше енергії припадає на певну частину спектра λ_max (рис. 1.1). Цим пояснюються різноманітні кольори зір — від червоного до синього (рис. 1.2, 1.3). Використовуючи закони випромінювання чорного тіла, які відкрили фізики на Землі, астрономи вимірюють температуру далеких космічних світил (рис. 1.4). За температури T = 300 K чорне тіло випромінює енергію переважно в інфрачервоній частині спектра, яка не сприймається неозброєним оком.

Рис. 1.3. Молоді зорі. Різні кольори зір пояснюються електромагнітним випромінюванням різної довжини

За низьких температур таке тіло у стані термодинамічної рівноваги має справді чорний колір.

Рис. 1.4. Розподіл енергії у спектрі випромінювання зір. Колір зір визначає температуру поверхні T: сині зорі мають температуру 12 000 K, червоні — 3000 K. При збільшенні температури на поверхні зорі зменшується довжина хвилі λ_max, яка відповідає максимуму енергії випромінювання

Для допитливих

У природі абсолютно чорних тіл не існує, навіть чорна сажа поглинає не більш ніж 99 % електромагнітних хвиль. З іншого боку, якби абсолютно чорне тіло тільки поглинало електромагнітні хвилі, то з часом температура такого тіла стала б нескінченно великою. Тому чорне тіло випромінює енергію, причому поглинання і випромінювання можуть відбуватися в різних частотах. Однак при деякій температурі встановлюється рівновага між випромінюваною та поглиненою енергіями. Залежно від рівноважної температури колір абсолютно чорного тіла не обов'язково буде чорним — наприклад, сажа в печі при високій температурі має червоний або навіть білий колір.

Чорне тіло поглинає всю енергію, яка падає на його поверхню, і всю енергію перевипромінює в навколишній простір, але в іншій частині спектра

Астрофізика вивчає будову космічних тіл, фізичні умови на поверхні й всередині тіл, хімічний склад, джерела енергії та ін.

Методи астрономічних досліджень. Між фізикою та астрофізикою є багато спільного — ці науки вивчають закони світу, у якому ми живемо. Але між ними існує одна суттєва різниця — фізики мають можливість перевірити свої теоретичні розрахунки за допомогою відповідних експериментів, у той час як астрономи в більшості випадків такої можливості не мають, адже вивчають природу далеких космічних об'єктів за їхнім випромінюванням.

Астрофізичні експерименти в космосі все ж таки відбуваються — їх здійснює сама природа, а астрономи спостерігають за тими процесами, які відбуваються в далеких світах (рис. 1.5), і аналізують отримані результати. Ми спостерігаємо своєрідні явища в часі та бачимо таке далеке минуле Всесвіту, коли ще не існувала не тільки наша цивілізація, але навіть не було Сонячної системи. Тобто астрофізичні методи вивчення далекого космосу фактично не відрізняються від експериментів, які проводять фізики на поверхні Землі. До того ж за допомогою автоматичних міжпланетних станцій (АМС) астрономи проводять справжні фізичні експерименти як на поверхні інших космічних тіл, так і в міжпланетному просторі. Астрономічні спостереження здійснюються як у астрономічних обсерваторіях за допомогою різноманітних телескопів, так і неозброєним оком.

Рис. 1.5. Народження нової зорі

Спостереження неозброєним оком. Око людини є унікальним органом чуття, за допомогою якого ми отримуємо понад 90 % інформації про навколишній світ. Оптичні характеристики ока визначаються роздільною здатністю та чутливістю.

Роздільна здатність ока, або гострота зору, — це спроможність розрізняти об'єкти певних кутових розмірів. Установлено, що роздільна здатність ока людини не перевищує 1' (одна мінута дуги, рис. 1.6). Це означає, що ми можемо бачити окремо дві зорі, якщо кут між ними a ≥ 1', а якщо a < 1', то ці зорі зливаються в одне світило, тому розрізнити їх неможливо.

Рис. 1.6. Ми розрізняємо диск Місяця, оскільки його кутовий діаметр 30', у той час як кратери неозброєним оком не видно, адже їх кутовий діаметр менший від 1'

Ми розрізняємо диски Місяця і Сонця, адже кут, під яким видно діаметр цих світил (кутовий діаметр), дорівнює близько 30', у той час як кутові діаметри планет і зір менші за 1', тому ці світила неозброєним оком видно як яскраві точки.

Чутливість ока визначається порогом сприйняття окремих квантів світла. Найбільшу чутливість око має у жовто-зеленій частині спектра, і ми можемо реагувати на 7-10 квантів, які потрапляють на сітківку за 0,2-0,3 с. В астрономії чутливість ока можна визначити за допомогою так званих видимих зоряних величин, які характеризують яскравість небесних світил.

Для допитливих

Чутливість ока також залежить від діаметра зіниці — у темряві зіниці розширюються, а вдень звужуються. Перед астрономічними спостереженнями треба 5 хв посидіти в темряві, тоді чутливість ока збільшиться.

Контрольні запитання і завдання

1. Чим пояснюється різноманітний колір зір?
2. За допомогою яких законів астрономи вимірюють температуру далеких космічних світил?
3. Чи можливо проведення астрофізичних експериментів?
4. Підготуйте стисле повідомлення про методи астрофізичних досліджень.
5. Чим визначається чутливість ока?

Зміст

Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України