Астрономія 11 клас. Методи та інструменти астрономічних досліджень.

Тема.                    Методи та інструменти астрономічних досліджень.

     Мета.      Сформувати уявлення про астрономічні спостереження та їхні особливості.Ознайомити учнів з видами телескопів та принципом їх роботи, історією та роботою  Київської Астрономічної обсерваторії.

Тип уроку:         урок вивчення нового матеріалу.

             Обладнання:     мультимедійний проектор (урок супроводжується        презентацією).

План викладання

 нового матеріалу.  1 Основний метод дослідження в астрономії

2. Оптичні телескопи.

3. Радіотелескопи.

     4. Обсерваторії.

6. Київська Астрономічна обсерваторія.

I. Викладання нового матеріалу.

1. Основний метод дослідження в астрономії.

 Основним методом дослідження в астрономії є спостереження.

Астрономія ґрунтується на спостереженнях, що проводяться із Землі й тільки з 60-х років нашого століття також із космосу — з автоматичних і пілотованих станцій. Спостереження в астрономії, відіграючи таку саму роль, як досліди у фізиці й хімії, мають ряд особливостей.

Перша особливість полягає в тому, що астрономічні спостереження здебільшого пасивні відносно об'єктів, що  вивчаються. Ми не можемо активно впливати на небесні тіла, ставити досліди, як це роблять в інших природничих науках. Тільки використання космічних апаратів дало можливість проводити безпосередні експериментальні дослідження на поверхні Місяця і найближчих планет.

Крім того, багато небесних явищ відбуваються так повільно, що потребують тривалих спостережень; так, зміна нахилу земної осі до площини її орбіти стає добре помітною лише через сотні років.  Тому для нас не втратили значення деякі спостереження, що проводилися тисячі років тому, хоч вони й були, за сучасними поняттями, дуже неточними. Крім того, через рух Землі вигляд неба для земного спостерігача протягом року змінюється. Це залежить не лише від того, в якому місці Землі перебуває спостерігач, а й від того, в який час доби й року він спостерігає. Наприклад, коли в нас зимовий день, у Південній Америці літня ніч, і навпаки. Є зорі, видимі лише влітку або взимку.

Третя особливість астрономічних спостережень  пов'язана з тим, що всі світила перебувають від нас дуже далеко, так далеко, що ні на око, ні в телескоп не можна визначити, яке з них ближче, яке далі. Всі вони здаються нам однаково далекими.

2. Оптичні телескопи.

Найважливішими астрономічними приладами є телескопи (від грець­ких слів tele — далеко, scopeo — дивлюся). Ці оптичні прилади використову­ють для візуальних та фотографічних спостережень небесних тіл. Перший телескоп збудував Галілео Галілей (1564-1642 р.) у 1609 році. Вдосконалюю­чи конструкцію, учений довів збільшення своїх телескопів від триразового до 35-ти разового.

Основними частинами телескопа є об'єктив, окуляр, тубус (труба-корпус) і система монтування.

Телескопи поділяють на три групи:

• рефрактори (від латинського рефрактус — заломлений), або лін­зові (об'єктивом є лінза або система лінз) (рис. 1).

 В таких телескопах  проміння фокусується скляним об'єктивом, який складається з однієї або декількох лінз. Рефрактори мають ряд переваг в порівнянні з іншими конструкціями телескопів. По-перше, в них не проникає пил і волога, оскільки труба закрита об'єктивом. По-друге, оптичні елементи рефрактора фіксуються на фабриці і не вимагають тонкої настройки оптичної системи. По-третє, на відміну від інших систем, в рефракторах немає екранування об'єктиву, яке зменшує кількість збираного світла і спотворює дифракційну картину. В результаті виходить висококонтрастне зображення, ідеально відповідне для спостережень місяця і планет.

Одним же з основних недоліків рефракторів є фарбування яскравих об'єктів кольоровими ореолами. Причина появи ореолів полягає в тому, що проміння різних довжин хвилі заломлюється лінзою по-різному. Цей недолік можна виправити практично повністю, якщо зробити об'єктив з декількох дуже точно виконаних лінз, виготовлених із спеціально підібраних сортів скла.

• рефлектори (від латинського рефлекто — відбиваючий), або дзеркальні (об'єктивом є угнуте дзеркало) (рис. 2).

Другий спосіб фокусування світла — віддзеркалення вхідного проміння увігнутою дзеркальною поверхнею. Так  влаштовані телескопи -  рефлектори. Найбільш поширені на сьогоднішній день рефлектори називають рефлекторами Ньютона, тому що першим таку конструкцію створив Ісаак Ньютон. Дзеркало є скляним диском, одна із сторін якого має сферичну або параболічну форму і покрита шаром, що відображає. При цьому фарбування предметів, як в рефракторі, не відбувається, оскільки потрапляюче в телескоп,  світло не проходить через скло, а відображається від дзеркальної поверхні об'єктиву. Найбільш прості у виробництві дзеркала сферичної форми. Проте, якщо зробити таке дзеркало достатньо світлосильним, проміння з його країв і проміння з центру сходитимуться в різних крапках, що приведе до падіння чіткості зображення. Щоб усунути цей дефект, званий сферичною аберацією, поверхню дзеркала роблять параболічною. Оскільки зібране головним дзеркалом світло відображається назад, його потрібно перенаправити, щоб вивести з труби. Це робиться за допомогою невеликого плоского дзеркала еліптичної форми (званого вторинним), розташованого під кутом в 45 градусів до оптичної осі головного дзеркала. На жаль, вторинне дзеркало і система його кріплення неминуче екрануватимуть головне дзеркало, зменшуючи кількість збираного їм світла і знижуючи загальний контраст зображення.

• меніскові, або комбіновані дзеркально-лінзові . (рис. 3).

Третя група телескопів, званих катадіоптричними (дзеркально-лінзовими), є гібридом двох попередніх систем — для того, щоб управляти ходом проміння в них використовуються і лінзи, і дзеркала. Прикладами таких інструментів є катадіоптричні телескопи Ньютона, телескопи Шмідта-Кассегрена і Максутова-Кассегрена.

Катадіоптрічний рефлектор Ньютона — це класичний рефлектор, в який додана коректуюча лінза, розташована на шляху світлового проміння перед точкою фокусу. Цей коректор збільшує ефективну фокусну відстань об'єктиву, дозволяючи значно скоротити довжину труби. Катадіоптрічні є рефлектори більш компактні і менш схильні до коливань від вітру, ніж прості Ньютони, але мають більше екранування і можуть бути складнішими в налаштуванні.

В телескопах Шмідта-Кассегрена світлове проміння спочатку проходить через тонку пластину, підібрану так, щоб вона виправляла сферичну аберацію головного дзеркала. Відбившись від головного, а потім і вторинного дзеркала, проміння знов відправляється у бік головного дзеркала і виходить з труби через отвір в ньому. Прямо за цим отвором встановлюється окуляр або діагональне дзеркало. Фокусування здійснюється переміщенням окуляра або головного дзеркала. Основна перевага Шмідта-Кассегрена — компактність (труба виходить в три рази коротше за рефлектор Ньютона з тією ж фокусною відстанню). Основний недолік — відносно велике вторинне дзеркало, яке зменшує кількість збираного світла і приводить до невеликого падіння контрасту зображення.

Телескопи Максутова-Кассегрена схожі з телескопами Шмідта-Кассегрена, тільки замість коректуючої пластини Шмідта в них використовується опукло-увігнута лінза (меніск), обидві поверхні якої мають сферичну форму. Роль вторинного дзеркала в цих телескопах грає невеликий центральний "п'ятачок", розташований з внутрішньої сторони меніска і покритий матеріалом, що відображає. Проходячи через меніск, світло потрапляє на головне дзеркало, відображається від нього, потрапляє на дзеркальний "п'ятачок" на внутрішній стороні меніска, знов відображається і, так само як і в телескопах Шмідта-Кассегрена, виходить з труби через отвір в головному дзеркалі. Така конструкція простіша у виготовленні в порівнянні з телескопами Шмідта-Кассегрена.

Телескоп Галілея був рефрактором (діаметр лінзи 5,3 см). Найбільший рефрактор у світі, що має лінзу-об'єктив діаметром 102 см, знаходиться в Йєрській обсерваторії (США). Перший рефлектор побудував у 1668 році І. Ньютон (діаметр дзеркала 2,5 см). У найбільшого у світі рефлектора — ввігнуте дзеркало діаметром 605 см (Ставропольський край, Росія).

Сучасні телескопи дають 500-разове збільшення. Усі великі телескопи змонтовані на спеціальних пристроях, які повертаються в напрямку обертан­ня неба з тією ж швидкістю (~ 15° за годину) з якою обертається Земля на­вколо своєї осі. Це дозволяє проводити тривале спостереження за однією і ті­єю ж ділянкою неба.

3. Радіотелескопи.

Крім світла, зірки випромінюють електромагнітні хвилі інших частот, зокрема радіохвилі. Для приймання та реєстрації радіовипромінювання небе­сних об'єктів використовують радіотелескопи. Радіотелескоп складається з антени і надчутливого радіоприймача з підсилювачем. Антеною може бути металеве параболічне дзеркало або каркас параболічної форми, вкритий ме­талевою сіткою. Антени діаметром до 100 м встановлюють на спеціальні опо­ри, які можуть повертатися. Такий радіотелескоп можна навести на будь-яку ділянку неба. Більші антени складають з окремих частин, використовуючи при цьому особливості рельєфу. На початку 70-х років XX століття був побудований 300 метровий нерухомий радіотелескоп у кратері згаслого вул­кана в Пуерто-Рико. У 1976 році в СРСР побудований радіотелескоп РАТАН-600 діаметром 600 метрів (складається з 895 окремих дзеркал розміром 2x7,4 м). Нерухомими радіотелескопами можна досліджувати лише вузьку смугу неба, яка проходить перед ними під час видимого добового обертання неба, але якість спостережень є дуже високою.

Один із найбільших у світі повноповоротних радіотелескопів установ­лений у Криму біля Євпаторії у 1978 році. Діаметр його антени — 70 м.

     4. Обсерваторії.

Астрономічні спостереження переважно проводяться у спеціально об­ладнаних науково-дослідних установах — обсерваторіях.

Одну з перших обсерваторій побудував на острові Родос давньогрець­кий астроном Гіппарх (бл. 190-125 рр. до н.е.). Саме тут був створений пер­ший каталог, до якого занесено 1022 зорі.

Обсерваторія султана Улугбека, побудована у XV столітті на околиці Самарканда, містила величезний кутомірний прилад — секстант, радіус дуги якого перевищує 40 м. В обсерваторії Улугбека вперше була виміряна доволі важлива в астрономії величина — нахил екліптики до екватора, і складені ас­трономічні каталоги для зір та планет.

Відома в науковому світі Пулковська обсерваторія (Росія) відкрита у 1839 році. За точність робіт її назвали «астрономічною столицею світу».

Найбільшими в Україні є Кримська астрофізична обсерваторія (КрАО), Астрономічна обсерваторія Академії наук, а також університетські обсерва­торії в Києві, Харкові, Львові, Одесі.

Проходячи через земну атмосферу, слабкі сигнали від космічних об'єктів спотворюються, поглинаються та розсіюються і їх неможливо реєструвати на­земними приладами. У 1957 році в СРСР було запущено штучний супутник Землі. Це започаткувало дослідження Всесвіту за допомогою космічної техні­ки.

Інтенсивний розвиток космонавтики спричинив створення і запуск шту­чних супутників Землі, Місяця та планет, дозволив відправляти автоматичні апарати до тіл Сонячної системи та здійснювати пілотовані польоти на Мі­сяць. 12 землян побували на Місяці. Зараз на навколоземній орбіті працює потужний телескоп «Габбла», за допомогою якого проводяться доволі якісні спостереження космічних об'єктів.

5. Найбільші обсерваторії  та телескопи світу.

В усі часи людина благоговійно задивлялась у небеса. Вперше іншими очима - тобто через  об'єктив телескопа - на зорі поглянув Галілео Галілей. За кілька століть учені набагато просунулись вперед у створенні цих приладів. На відміну від середньовічного астронома, сучасні науковці ведуть дослідження за допомогою гігантських оптичних телескопів діаметром понад 1 м.

1. LAMA (Large-Aperture Mirror Array)

Унікальність цього телескопа, який нині перебуває на стадії конструкторської розробки, полягає в тому, що він складатиметься з рідких дзеркал, а це дозволить значно знизити витрати на будівництво телескопа. LAMA складатиметься з масиву 10-метрових телескопів на рідких ртутних дзеркалах, зібраних у компактну групу загальним діаметром 54 м. Додаткові дзеркала й активна оптика дозволяє кілька хвилин безперервно стежити за зоряними об'єктами. Для досліджень доступні 6% неба в зеніті. Найбільш вірогідне місце розташування LAMA - в Чилі або в Мексиці.

2. Cornell Atacama Telescope

Астрономи з Великобританії та США нещодавно оголосили про початок проекту створення нового 25-метрового інфрачервоного телескопа Cornell Atacama Telescope, який буде встановлений у високогірних районах Чилі на висоті 6000 м.

Відомо, що новий телескоп працюватиме в парі з уже побудованим Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Згідно з планом, роботи над телескопом будуть завершені до 2013 року. З його допомогою астрономи зможуть вивчати далекі галактики і зірки в інфрачервоному діапазоні.

3. JWST (James Webb Space Telescope)

Космічний телескоп імені Джеймса Верба - орбітальна інфрачервона обсерваторія, яка за попередніми розрахунками займе місце космічного телескопа Габбла.

Має величезне дзеркало - 6,5 м у діаметрі - та сонячний щит розміром із тенісний корт. ШБТ розташується на орбіті на відстані 1,5 млн. км від Землі в точці Лагранжа L2. Запуск обсерваторії запланований на червень 2013 року.

4. ATST (Advanced Technology Solar Telescope)

Новий телескоп розташується в Національному парку Галікала на одному з найбільших вулканів світу Галікала (острів Мауї, Гаваї). Телескоп буде створений спеціально для спостереження за Сонцем. Діаметр основного дзеркала становитиме 4 м.

ATST з надзвичайною точністю дозволить виміряти магнітні поля Сонця. Оптична система телескопа - складна і комплексна.

Початок робіт запланований на 2009 рік. Очікується, що ATST  побачить світ у 2015 році і стане найбільшим сонячним телескопом.

5. Обсерваторія Маунт-Лагуна

Обсерваторія Маунт-Лагуна була відкрита у 1968 році поблизу Сан-Дієго на території Національного парку. Саме тому дослідницький центр, розташований на висоті майже 2000 м, надійно захищений від вогнів міста. Для більш точних досліджень обсерваторія збирається побудувати високоавтоматизований телескоп діаметром 2,5 м.

6. Індійська астрономічна обсерваторія (Indian Astronomical Observatory)

Найбільш високогірна астрономічна обсерваторія у світі (доки не побудували телескоп Cornell Atacama) - це індійська обсерваторія на горі Сарасваті (хребет Ладакх на північ від Гімалаїв) поблизу міста Ханле. Обсерваторія має оптичний інфрачервоний телескоп діаметром 2 м.

Дослідний центр розташований на висоті 4517 м над р. м., що дає багато переваг для вивчення небесних тіл: безхмарне небо, сухий холодний клімат, жодних автомобільних фар, атмосферного забруднення тощо. Обсерваторія підтримує зв'язок з геосинхронним супутником, що дозволяє передавати дані спостережень дистанційно.

7.Астрофізична обсерваторія Домініона (Dominion Astrophysical Observatory)

Обсерваторія Національної дослідної ради Канадського центру оптичної астрономії розташована поблизу міста Вікторія. Вона відома своїми роботами з вивчення зірок і галактик. З 1918 року в галереї функціонує телескоп діаметром 1,86 м, вага його дзеркала становить 2000 кг.

8.«Левіафан» із Парсонстауна

У 1845 році в Бір-Касле (Ірландія) граф Росса побудував надзвичайний телескоп, який здавався Левіафаном серед інших тогочасних телескопів (звідси й назва). «Левіафан» залишався найбільшим телескопом у світі, аж доки не побудували телескоп Маунт-Вілсонської обсерваторії (діаметр - 2,5 м). Дзеркало «Левіафана» виготовлене з металу-віддзеркалювача. І хоча цей телескоп вперше дозволив вивчати небесні тіла так близько і з такою точністю, ірландський клімат не сприяв астрономічним пошукам - дзеркало постійно псувалося від вологи, і врешті-решт телескоп поламався. Проте в результаті його роботи були досліджені деякі туманності, сузір'я, спіралеподібна структура деяких галактик.

9.Телескоп-комаха (Hexapod Telescope)

Інженери компанії Vertex спільно з ученими Німецького університету астрономії (місто Бохум) винайшли революційний телескоп. Унікальність Hexapod'a полягає в тому, що замість традиційної установки на двох осях дзеркало телескопа підтримують шість опор. Це нагадує комаху (звідки й назва: hexapod у перекладі з англійської означає «комаха»). Ця конфігурація дозволяє телескопу переміщуватись у шести площинах і надає пристрою великої міцності. Телескоп Hexapod встановлений у пустелі Атакама, Чилі.

10. Телескоп Семюеля Осчина (Samuel Oschin Telescope)

Унікальний телескоп належить Паламарській обсерваторії (Сан-Дієго, Каліфорнія). За допомогою цієї установки зроблені епохальні відкриття: у 2003 році - мала планета Седна, а в 2005 - об'єкт 2003UB313. За розмірами він у півтора раза більший за Плутон, тож астрономи ще вагаються, чи визнавати 2003UB313 десятою планетою Сонячної системи.

11. Єрська обсерваторія (Yerkes Observatory)

Єрська обсерваторія належить Чиказькому університету. Вона була заснована ще в 1897 році, а сьогодні тут стоїть найбільший у світі рефракторний телескоп діаметром 102 см. Обсерваторія займається дослідженнями міжзоряної речовини, навколоземних об'єктів, інфрачервоним аналізом тощо. Фокусна відстань телескопа - 19 м. Для зйомки використовують скляні фотопластини 20x25 см. Вони мають таку високу жорсткість, що не деформуються навіть через 100 років.

6. Київська Астрономічна обсерваторія

Астрономічна обсерваторія Київського Національного університету імені Тараса Шевченка - це один з найстаріших наукових закладів України. Навіть не враховуючи наукові досягнення, які достойно оцінюють спеціалісти, ознайомившись лише з історією КАО, без перебільшення можна назвати її справжнім національним надбанням - стільки видатних особистостей переймалося її долею, стільки  коштів, ідей, душі було вкладено в її існування та роботу протягом майже двох століть.

Рішення про створення обсерваторії було прийнято в період організації
університету Святого Володимира і передбачалося первинним планом
будівництва. Ще до офіційного відкриття університету, в 1833 р. було
оголошено конкурс "для сочинения планов и фасадов предполагаемое
возведению в Киеве для Университета святого Владимира здания". В конкурсі взяло участь декілька відомих архітекторів, в тому числі Олександр Брюллов та Вікентій Беретті. Найкращим було визнано проект В.Беретті, за яким 1837 року розпочато будівництво.

З приходом до університету у 1838 році відомого на той час астронома Василя Федоровича Федорова, випускника Дерптського університету, який очолив кафедру і   обсерваторію (пізніше у 1843-1847 був обраний ректором університету) було враховано призначення обсерваторії (дослівно "площадки для спостережень"). За клопотанням Ради університету були виділені асигнування у розмірі 62   тис. рублів на придбання спеціального астрономічного обладнання, яке, за проханням Ради, замовив в Європі і Петербурзі тодішній директор Пулковської  обсерваторії В.Я.Струве. Ним же була закуплена через Академію Наук  для обсерваторії частина приватної бібліотеки Ольберса (понад 900  томів).

В подальшому кожен новий директор обсерваторії намагався "тримати       марку" "...образцового астрономического учреждения,... славящегося обилием превосходных снарядов". Замовлялися в провідних фірмах Європи нові більш сучасні інструменти, нарівні з викладацькою діяльністю виконувалися актуальні наукові задачі. За замовленнями військово-топографічного відділу Головного штабу виконувалися роботи по визначенню координат деяких населених пунктів, організовувалися експедиції для спостережень сонячних затемнень та проходження Венери сонячним диском. Діяльністю і благоустроєм обсерваторії  опікувалися не тільки Рада університету, попечитель Київського навчального  округу М.І. Пирогов 1859 р. особисто їздив до Петербургу замовляти новий рефрактор.

       Для укріплення престижу Київської Астрономічної обсерваторії важливим

було мати своє друковане видання - у 1879 р. було розпочато власне видання , яке спочатку виходило французькою мовою.

 Якщо виникала потреба ремонту астрономічних інструментів, викликалися  майстри з Петербурга, Мюнхена або Гамбурга. В 1915 р. для збереження інструментів під час наближення фронту до Києва, частина особливо цінних з них була евакуйована до Саратова. Така ж ситуація змусила евакуювати обладнання до Свердловська у 1941 р.

( його відправили на баржах до Дніпропетровська, потім поїздом до Уфи і далі) 

Всі історичні події країни торкалися так чи інакше і КАО. Змінювався статус
обсерваторії. У 1920-1923 рр обсерваторія була в складі Вищого Інституту
Народної Освіти. З 1923 по 1933 - незалежним науковим закладом в системі сектору науки Наркомпроса УРСР, пізніше декілька разів об'єднувалася і роз'єднувалася з кафедрою астрономії університету.  Обсерваторія не була зруйнована під час Великої Вітчизняної війни,  основний склад з евакуйованим обладнанням працював у Свердловську, а в Києві на окупованій території навіть німці з повагою ставилися до цього наукового закладу - приєднали до німецького Кліматологічного інституту,  але намагалися при відступі вивезти залишки обладнання, бібліотеку і співробітників. Ризикуючи життям, співробітники, на чолі з в.о. директора Ю.Д.Соколовим підмінили вже упаковане в ящики камінням та ганчір'ям, а врятовані книжки заховали в підвалі під одним з телескопів.             

В 1951 році було побудовано лабораторний корпус обсерваторії, у 1956-1957 рр - спостережні бази біля с. Лісники (Києво-Святошинський р-н) та С.Трипілля ( Обухівський р-н), у 1977 завершено будівництво нової спостережної станції. В 1968 р. у Ленінграді виготовлено два телескопа-рефлектора для станції спостережень в с. Лісники. У 1969 - обсерваторії присвоєно Радою Міністрів СРСР статус наукової установи.             

Сьогоднішня Київська Астрономічна обсерваторія - активно діючий науковий, освітній і просвітницький заклад. Тут ведуть наукові розробки 5 докторів та 20 кандидатів наук. На міській території та на станціях 6 стаціонарних діючих телескопів, оновлених сучасним обладнанням, велика астрономічна бібліотека. Співробітники співпрацюють в багатьох міжнародних програмах.                           

А ще КАО - місце в Києві, де можна проконсультуватися з будь-яких астрономічних питань, прийти на екскурсію, подивитися в телескоп на небесні обрії, ознайомитися в невеличкому музеї з історією обсерваторії,    розглянути деякі старовинні і більш сучасні прилади і інструменти. В період  деяких астрономічних подій (затемнень, планетних протистоянь, появ яскравих  комет) зазвичай небагатолюдна ввечері місцевість обсерваторії перетворюється в гамірний Хрещатик, а до телескопів утворюються довжелезні черги.

II. Закріплення знань, умінь та навичок.

 Запитання до учнів.

1Які методи досліджень ви знаєте?

2. Назвіть особливості астрономічних спостережень.

3.Які види телескопів ви знаєте?

4.Назвіть види оптичних телескопів.

III. Підсумок уроку .

IV . Домашнє завдання.