Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Засєкіна

§ 45. Методи та засоби фізичних й астрономічних досліджень

Як досліджують астрономи. Основними методами досліджень в астрономії є спостереження та теорія. Основою спостережень є вивчення випромінювання від небесних світил, за якими можна встановити основні характеристики світила (внутрішню будову, вік, температуру, хімічний склад, відстань до світила тощо). Теоретичні дослідження в астрономії ґрунтуються на законах теоретичної фізики, з використанням математичного апарату, комп’ютерного моделювання та обчислення.

Оптичні телескопи. За конструкцією телескопи можна поділити на три групи: рефрактори, або лінзові телескопи (лат. refractus — заломлення), рефлектори, або дзеркальні телескопи, (лат. reflectio — відбиваю) та дзеркально-лінзові телескопи, схеми який представлено на малюнку 185.

Мал. 185. Схеми та зовнішній вигляд телескопів: а — рефрактора; б — рефлектора, в — катадіоптрика

Нові технології та досягнення науки відкривали «нове дихання» для наземних оптичних телескопів (мал. 186).

Мал. 186. Сучасні оптичні телескопи: a — KECK І і KECK II; б — великий канарський телескоп

До найбільших у світі оптичних телескопів належать телескопи KECK І і KECK II в обсерваторії на Гаваях, США (побудовані в 1994 і 1996 рр., діаметр їх дзеркал — 10 м); великий канарський телескоп в обсерваторії Ла-Пальма, на висоті 2400 м над рівнем моря, на вершині вулкана Мучачос (діаметр дзеркала — 10,4 м).

Як виявилось, небесні об’єкти випромінюють електромагнітні хвилі різних діапазонів. На початку XX ст. в астрономії почали використовуватися фотопластинки, чутливі до різних хвиль. Потім були винайдені фотоелектронні помножувачі (ФЕП), електронно-оптичні перетворювачі (ЕОП). У сучасних телескопах як приймачі випромінювання використовують ПЗЗ-матриці (абревіатура від слів: прилад із зарядовим зв’язком, англ. Charge-coupled device, CCD) — це пристрій, у якому під дією випромінювання генерується електричний сигнал, з яким можна проводити певні маніпуляції, наприклад, оцифровувати його.

Радіотелескопи. Радіовипромінювання від космічних об’єктів фіксують за допомогою радіотелескопів та інших пристроїв (мал. 128, с. 139). В Україні на основі радіотелескопа УТР-2 побудовано декаметрову систему радіоінтерферометра з наддовгою базою (РЗНБ) УРАН.

Нині працює глобальна мережа РЗНБ, яка об’єднує великі телескопи Європи, США, Австралії та інших країн. Об’єктами дослідження в радіоастрономії є практично всі космічні тіла: від тіл Сонячної системи до Всесвіту в цілому, а також речовина й поля, що заповнюють космічний простір, — міжпланетне середовище, міжзоряні газ і пил, магнітні поля, космічні промені, реліктове випромінювання тощо.

Прилади (детектори), що реєструють випромінювання небесних тіл у діапазоні високих енергій (гамма- та рентгенівського випромінювання), зовні не схожі на оптичні телескопи (мал. 187). Принцип дії гамма-детектора коротко можна описати так. Гамма-випромінювання, що надходить з космосу, потрапляє у приймач, наприклад, у пластину зі свинцю. Взаємодіючи з матеріалом пластини, гамма-кванти породжують електрони й позитрони, які далі на великій швидкості потрапляють у лічильник, де змушують світитися речовину. Це світіння дуже слабке, тому його посилюють і, зрештою, реєструють. Сучасні гамма-телескопи дозволяють реєструвати гамма-випромінювання Молочного Шляху, а також окремих дискретних джерел (наприклад, залишків спалахів наднових) або активних ділянок на Сонці під час сонячних спалахів тощо.

Мал. 187. а — рентгенівський телескоп; б — гамма-телескоп

На малюнку 188 наведено фотографію нейтринного детектора. З огляду на те, що нейтрино — це частинка, яка дуже слабко реагує з речовиною, немає потреби виносити нейтринні телескопи в космос або будувати їх на поверхні Землі. Детектори нейтрино треба розміщувати якомога глибше під землею, водою чи льодом (на Південному полюсі). Товстий шар речовини зменшує кількість сторонніх випромінювань, що можуть зменшувати чутливість детектора.

Мал. 188. Зовнішній вигляд уловлювача нейтрино «Супер-Каміоканде»

У резервуар заливають тонни мінерального масла з домішками сцинтилятору (або надчистої води). При взаємодії нейтрино з атомами речовини утворюються електрони високої енергії, швидкість руху яких більша за швидкість світла в цьому середовищі. При русі таких електронів виникає свічення у вигляді конусу, яке фіксується фотопомножувачами, розташованими на стінках резервуару.

Ще один носій астрономічної інформації — гравітаційні хвилі, що виникають під час катастрофічних подій у Всесвіті — злиття масивних компактних об’єктів (нейтронних зір чи чорних дір у подвійних системах), зіткнення галактик тощо. Про їх реєстрацію прочитаєте у § 53.

Астрономічні обсерваторії — наукові установи. Наукову установу, у якій проводять астрономічні спостереження та наукові дослідження, зазвичай називають астрономічною обсерваторією. Більшість обсерваторій обладнано телескопами різних типів, призначеними для реєстрації електромагнітного випромінювання, причому кожна з них переважно спеціалізується на вивченні певного спектрального діапазону.

На сьогодні у світі функціонує кілька потужних астрономічних обсерваторій. Усі астрономічні обсерваторії, розміщені в місцях з хорошим астрокліматом, мають так звані штаб-квартири — адміністративні та наукові центри, що містяться в інших населених пунктах. Тобто на високогірних майданчиках з телескопами виконують лише астрономічні спостереження, а опрацювання отриманих даних — у таких центрах чи астрономічних установах (інститути, кафедри тощо), які діють у складі університетів.

В Україні класичні університети (Київський, Львівський, Харківський, Одеський) майже від дня свого заснування мають астрономічні обсерваторії та кафедри астрономії. Найбільшими в нашій країні є Головна астрономічна обсерваторія Національної академії наук України (ГАО НАН України) (мал. 189) та Кримська астрофізична обсерваторія (КрАО).

Мал. 189. Головна астрономічна обсерваторія Національної академії наук України

Космічні телескопи та обсерваторії. Після першого запуску космічного апарату, дослідження космосу із Землі дислокувалися і в космос. Важливою для астрономів подією був запуск 25 квітня 1990 р. на орбіту висотою 612 км космічного телескопа ім. Габбла. Нині в космосі працює ціла низка інфрачервоних, ультрафіолетових, рентгенівських, гамма-обсерваторій, які досліджують небо в усіх діапазонах електромагнітних хвиль (мал. 190).

Мал. 190. Космічні телескопи та обсерваторії

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Назвіть основні методи астрономічних досліджень. 2. Назвіть основні засоби й установки, за допомогою яких досліджують небесні об’єкти. Які фізичні принципи закладено в основу їх дії? 3. Поясніть, що таке астрономічна обсерваторія. Назвіть 1-2 найвідоміші астрономічні обсерваторії світу. Назвіть 1-2 астрономічні обсерваторії України. 4. Чому є потреба виносити телескопи за межі атмосфери Землі?