Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Засєкіна

Розділ 4. Астрономія

Астрономія — одна з найдавніших природничих наук. На Землі й у космосі діють одні й ті самі закони природи. Фізики, хіміки, біологи й астрономи досліджують зміни та процеси, що відбуваються з об’єктами природи. Вічним залишається питання: «Чому існує Всесвіт, і чому в цьому дивному світі живемо ми?».

§ 43. Небесна сфера

Сузір’я. Якби ми з вами проводили урок вечірньої пори на подвір’ї школи, та ще в безхмарну й безмісячну ніч і з телескопом, то нашому зору відкрилася б велична картина зоряного неба. Спостереження зоряного неба — це маса позитивних вражень, неповторні переживання, глибоке естетичне задоволення. І в той же час — спостереження зоряного неба завжди викликає безліч запитань. Як все це утворилося? Як воно існує? Що там далі в безмежному просторі?

Спостереження за зоряним небом, які здійснювалися систематично, аналізувалися й фіксувалися, показали, що у Всесвіті є не лише зорі, а й інші об’єкти, які люди назвали планетами, кометами, метеоритами, галактиками та ін. Найяскравіші світила для спостерігача із Землі — Сонце, Місяць, п’ять планет (Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн).

Для того щоб орієнтуватися у великій кількості нічних світил, люди віддавна намагалися розділити їх на окремі групи — сузір’я, давши їм назви залежно від того, яку картину вони собі уявляли, у думках сполучаючи лініями зорі в групі. Міжнародним астрономічним союзом у 1922 р. все небо розділено на 88 сузір’їв. Надалі ці межі й назви сузір’їв вирішено вважати незмінними, так само, як і назви яскравих зір.

Кожній освіченій і культурній людині бажано вміти знаходити на небі характерні для свого місця проживання сузір’я. До тих, що спостерігаються з території України, належать: сузір’я Малої й Великої Ведмедиць, Андромеди, Візничого, Волопаса, Кассіопеї, Лебедя, Ліри, Пегаса, Оріона, Орла, Тельця (мал. 177, с. 205).

Мал. 177. Характерні сузір’я зоряного неба для території України

Небесна сфера. Неозброєним оком можна побачити близько 6000 зір. Нам здається, що всі небесні світила розташовані на однаковій відстані, ніби світять з поверхні велетенської сфери (хоча насправді це не так, зорі розташовані на різних відстанях, одні ближче до нас, інші — далі). Природно, що, вивчаючи зоряне небо, використовують його модель — небесну сферу — уявну сферу довільного радіуса із центром у точці спостереження, на яку спроектовано небесні світила. Точкою спостереження може бути центр Землі, центр Сонця, місце спостереження.

Системи небесних координат. Провівши на небесній і земній сферах деякі кола, отримують точки та лінії, за допомогою яких визначаються небесні координати світил (мал. 178).

Мал. 178. Точки та лінії небесної сфери

Уявімо себе спостерігачами. Проведемо умовно прямовисну лінію, що проходить через центр Землі, яка збігається з напрямком сили тяжіння в місці спостереження й перетинає небесну сферу в двох точках, які називають зеніт і надир. Великий круг небесної сфери, площина якого перпендикулярна до прямовисної лінії, називають математичним горизонтом. Велике коло, яке проходить через світило, точку зеніту й точку надиру, називають вертикальним колом, або вертикалом.

Якщо продовжити вісь обертання Землі в космос, то на небесній сфері ми отримаємо дві точки перетину, які називають полюсами світу: Північний полюс світу Р (у сучасну епоху біля Полярної зорі) і Південний полюс світу Р' (у сузір’ї Октант). У той час як Земля обертається навколо своєї осі, полюси світу залишаються нерухомими на небесній сфері, а всі інші точки на ній обертаються навколо цих полюсів, роблячи один оберт за добу (зоряна доба). За один добовий оберт кожне світило двічі на добу перетинає небесний меридіан. Момент перетину небесним світилом меридіана називають кульмінацією (від лат. culmen — вершина).

Великий круг небесної сфери, площина якого перпендикулярна до осі світу, називається небесним екватором. Іншими словами, небесний екватор — це проекція земного екватора на небесну сферу. Небесний екватор перетинається з математичним горизонтом у двох точках: точці сходу й точці заходу. Точкою сходу називається та, з якої точки небесної сфери внаслідок її обертання перетинають математичний горизонт, переходячи з невидимої півсфери у видиму.

Лінія перетину площини небесного меридіана та площини математичного горизонту має назву полуденна лінія.

Великий круг небесної сфери, площина якого проходить через прямовисну лінію і вісь світу, називають небесним меридіаном. Небесний меридіан перетинається з математичним горизонтом у двох точках: точці півночі й точці півдня. Точкою півночі називається та, що ближче до Північного полюсу світу.

Позначимо на небесній сфері екліптику. Екліптика — це великий круг небесної сфери, перетин небесної сфери та площини орбіти Землі, якою здійснюється її рух навколо Сонця. (Проте спостерігачу із Землі видається, що це Сонце рухається екліптикою.) Площина екліптики перетинається з площиною небесного екватора під кутом ε = 23°26'. З небесним екватором екліптика перетинається у двох точках — точці весняного рівнодення ♈ й точці осіннього рівнодення ♎.

Від вибору головної площини та точки відліку на ній розрізняють такі системи: горизонтальну (мал. 179, а; с. 208), першу екваторіальну (мал. 179, б; с. 208), другу екваторіальну (мал. 179, в; с. 208), екліптичну та ін.

Мал. 179. Системи небесних координат: а — горизонтальна; б — перша екваторіальна; в — друга екваторіальна

Горизонтальна система координат пов’язана із Землею. У цій системі однією координатою є або висота світила над горизонтом h, або його зенітна відстань z (очевидно, z = 90° - h), що відліковується вздовж вертикалу, іншою — азимут А, що відліковують від точки півдня S уздовж горизонту в бік заходу до вертикала світила.

В екваторіальній системі небесних координат координатою, аналогічною географічній широті на Землі, у цьому разі є схилення світила, δ — кут між площиною небесного екватора й напрямком на об’єкт. Іншою координатою може бути: або годинний кут t — у першій екваторіальній системі координат (мал. 179, б), або пряме сходження (піднесення) α — у другій екваторіальній системі координат (мал. 179, в).

Годинний кут t — координата світила, що безперервно зростає, бо її відлік ведуть від моменту верхньої кульмінації світила в конкретному пункті Землі. Точкою відліку прямого сходження α світила є точка весняного рівнодення ♈.

Висота h, зенітна відстань z, азимут А і часовий кут t світил постійно змінюються внаслідок обертання небесної сфери, бо відлічуються від точок, не пов’язаних із цим обертанням.

Схилення δ, полярна відстань р і пряме сходження α світил при обертанні небесної сфери не змінюються, але вони можуть змінюватися внаслідок рухів світил, не пов’язаних з добовим обертанням. Ці координати використовують для складання каталогів небесних об’єктів, наприклад зір. А другу екваторіальну систему координат наносять на мапи зоряного неба.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Назвіть характерні сузір’я зоряного неба. 2. Назвіть 5-7 найвідоміших небесних світил. 3. Чому під час спостереження зоряного неба здається, що всі світила лежать на внутрішній поверхні сфери? 4. Сформулюйте визначення небесної сфери. 5. Чому в астрономії існують різні системи небесних координат? 6. Покажіть точки, лінії та кола небесної сфери, що утворюють горизонтальну систему небесних координат.

Вправа 33

1. Визначте схилення δ світила, якщо в нижній кульмінації воно проходить через надир.

2. Схилення світила дорівнює 60°, а географічна широта спостереження — 55°. Визначте висоту світила в момент верхньої кульмінації.

3. Визначте географічну широту φ місця спостереження, якщо світило, перетинаючи меридіан, перебуває на висоті 35° над горизонтом, а схилення його в цей день дорівнює 15°. Спостерігач перебуває в Північній півкулі.

4. Визначте висоту h2 Сонця опівдні в місці з географічною широтою φ2, якщо відома висота h1 Сонця опівдні в місці з широтою φ1.

5. Азимут зорі становить 315° і висота — 10°. У якій частині неба вона перебуває?