Урок з астрономії "Методи та засоби астрономічних спостережень"

Тема-9. Методи та засоби астрономічних

спостережень

 

1. Астрономія — наука всехвильова.

Оптична астрономія - галузь астрономії, яка вивчає Всесвіт у видимому світлі.

Крізь товщу атмосфери до поверхні Землі доходить лише видиме світло з довжиною хвиль від 0,39 мкм до 0,76 мкм, радіохвилі з довжиною від 0,01 см до 30 м та інфрачервоні промені довжиною 0,75 -5,2 мкм і вибірково в довжинах хвиль 8,2 - 22 мкм. В інших діапазонах електромагнітних хвиль земна атмосфера непрозора.

В короткохвильовій частині спектра виділяють окремо діапазони ультрафіолетової астрономії (довжина хвилі 390-30 нм), рент­генівської астрономії (30-0,01 нм) і гамма-астрономії (довжина хвилі менша за 0,01 нм).

Важливу інформацію про те, що діється далеко за межами Землі, доносять до нас потоки космічних променів і нейтрино. Космічні про­мені складаються головним чином з протонів - ядер водню, а також з електронів, ядер гелію і ядер важчих хімічних елементів.

Нейтрино - це частинка, яка має неймовірну проникну здатність, бо майже не взаємодіє з речовиною. Не маючи електричного заряду, з ма­сою спокою, ще й досі достовірно не встановленою, нейтрино здатне проходити крізь тверде тіло навіть легше, ніж світло крізь скло. Напри­клад, шар свинцю товщиною в 50 світлових років воно перетне так, не­мов це порожній простір. Утворюючись під час термоядерних реакцій, нейтрино негайно вилітає назовні, несучи інформацію про події у над­рах зорі в поточний момент, тоді як електромагнітне випромінювання мандрує до поверхні зорі сотні тисяч чи мільйони років. А тому методи нейтринної астрономії дуже важливі для вивчення процесів, що відбу­ваються у надрах Сонця і зір.

2. Наземні оптичні телескопи.

Оптичні телескопи

Будова: об'єктив, який збирає світло і будує у фокусі зображення об'єкта; трубу (тубус), яка з'єднує об'єктив з приймальним пристроєм; монту­вання - механічну кострукцію, що тримає трубу і забезпечує її наве­дення на небо; окуляр.  

 Першими було збудовано лінзові телескопи-рефрактори (від лат. «рефракто» - «заломлюю»).

Телескоп –рефрактор – телескоп, у якому для створення зображення використовують лінзи.

 Проте світлові промені різних довжин хвиль заломлюються по різному, і окрема лінза дає забарвлене зображення. Для усунення цього недоліку з часом почали будувати об'єктиви з кількома лінзами зі скла з різними коефіієнтами заломлення.

На розміри телескопів-рефракторів накладаються певні обмеження, тому найбільший лінзовий об'єктив має діаметр лише 102 см.

Рефрактори, як правило, використовують в астрометрії, а от астрофізики користуються дзеркальними телескопами-рефлекторами (від лат. «рефлекто» - «відбиваю»).

Телескоп-рефлектор – це телескоп, у якому для створення зображення використовують дзеркало.

 Перший такий телескоп з діаметром дзеркала 2,5 см побудував І. Ньютон. Головні дзеркала рефлекторів спочатку мали сферичну форму, згодом - параболічну.

Дзеркально-лінзові телескопи – телескопи, у яких для створення зображення використовують дзеркала і лінзи.

Шкільні телескопи мають об’єктиви з фокусною відстанню 80 – 100 см, та набір окулярів з фокусними відстанями 1 – 6 см. Тому збільшення шкільних телескопів може бути від 15 до 100 разів. Збільшення сучасних телескопів не перевищує 1000 разів (проявляється дифракція).

Збільшення телескопа n – це відношення кута зору на виході окуляра до кута зору , під яким видно світило неозброєним оком (- це відношення фокусної відстані об’єктива до фокусної відстані окуляра).

Дзеркала виготовляли із бронзи. З середини XIX ст. почали робити скляні дзеркала і розробили метод зовнішнього сріблення скляних дзеркал, а з 1930 р. їх почали алюмініювати. Дуже зручною, а тому і найчастіше вживаною, була система Кассегрена, в якій головне дзеркало - увігнуте параболічне, а допоміжне - опукле гіперболічне; проте телескопи і павільйони, в яких їх встановлювали, були надзвичайно громіздкими.

Наприклад, з 1948 по 1975 р. найбільшим у світі був 5-метровий ре­флектор Паломарської обсерваторії (СІЛА). Вага його дзеркала -13 т, маса труби (точніше, ґратчастої конструкції) довжиною 17 м-140 т, телескоп було встановлено у башті діаметром 41,5 м з вагою купола 1000 т. У 1975 р. на Північному Кавказі було введено в дію 6-метровий телескоп; за товщини дзеркала 65 см його вага становить 40 т, довжина «труби» - 24 м, діаметр башти - 44 м.

Справжня революція в телескопобудуванні відбулась у 70-х ро­ках XX ст. На зміну системі Кассегрена прийшла телескопічна система Річі-Кретьєна, у якій головне дзеркало за формою дещо відрізняється від параболоїда, а допоміжне - від гіперболоїда. Тому і довжина труби, і діаметри павільйонів у два - чотири рази менші, ніж у попередніх телескопів. На 2000 рік введено в дію близько десяти телескопів системи Річі-Кретьєна з діаметром дзер­кал 3,6-4,2 м. З 1996 р. працює багатодзеркальний (діаметр сегмента становить 1,8 м) телескоп «Кек-І» з сумарним.діаметром дзеркала 10 м, а з 1998 р. - такий же «Кек-ІІ». Введено в дію «Джеміні» з діаметром дзеркала 8,1 м та японський «Субару» з діаметром дзеркала 8,3 м. З 1998 р. почергово вводяться в дію одне із шести (діаметром 8,2 м) дзеркал «Дуже великого телескопа» («Very Large Teleskope» - VLT).

3. Найбільші телескопи –рефлектори:

1) Два телескопа Кека, розташовані на Гаваях. Keck-I і Keck-II введені в експлуатацію в 1993 і 1996 відповідно і мають ефективний діаметр дзеркала 9,8 м. Телескопи розташовані на одній платформі;

2) Найбільший в Євразії телескоп БТА якій знаходиться на території Росії, в горах Північного Кавказу і має діаметр головного дзеркала 6 м. Він працює з 1976 і тривалий час був найбільшим телескопом у світі;

3) Найбільшим у світі телескопом з цільним дзеркалом є Large Binocular Telescope, розташований на горі Грехем (США, штат Арізона). Діаметр обох дзеркал становить 8,4 метра;

4) 11 жовтня 2005 в експлуатацію був запущений телескоп Southern African Large Telescope в ПАР з головним дзеркалом розміром 11 x 9.8 метрів, що складається з 91 однакового шестикутника;

4) 13 липня 2007 перше світло побачив телескоп Gran Telescopio Canarias на Канарських островах з діаметром дзеркала 10,4 м, який є найбільшим оптичним телескопом у світі за станом на першу половину 2009 року;

5) В липні 2012 найбільший в світі дзеркальний телескоп HESS II введено в експлуатацію в Намібії, площа якого сягає 600 квадратних метрів.

4. Найбільші телескопи-рефрактори:

 

Обсерваторія	Місцезнаходження	Діаметр,  см	Рік споруди - демонтажу
Йеркской обсерваторія	Вільямс Бей, Вісконсін	102	1897
Обсерваторія Ліка	гора Гамільтон, Каліфорнія	91	1888
Паризька Обсерваторія	Медон, Франція	83	1893
Астрофізична обсерваторія	Потсдам, Німеччина	81	1899
Обсерваторія Ніцци	Франція	76	1880
Пулковська обсерваторія	Санкт-Петербург	76	1885-1941
Аллегенская обсерваторія	Піттсбург, Пенсільванія	76	1917
Грінвічська обсерваторія	Грінвіч, Британія	71	1893
Грінвічська обсерваторія	Грінвіч, Британія	71	1897
Обсерваторія Архенхольда	Берлін, Німеччина	70	1896

 

5. Радіотелескопи і радіоінтерферометри.

Радіотелескопи – пристрої для реєстрації радіовипромі­нювання від космічних об'єктів.

Сучасні радіотеле­скопи досліджують космічні радіохвилі в довжинах від одного міліметра до декількох десятків метрів.

Види радіотелескопів:

- радіотелескопи рефлекторні принцип дії такий самий, як телескопа-рефлектора; тільки дзеркало параболічної форми для приймання електромагнітних хвиль виготовляється з  металу. Найбільший в Україні радіотелескоп РТ-70  має діаметр 70 м (Крим, Євпаторія);

- радіотелескопи-радіогратки складаються з великої кількості окремих антен, які розташовані на поверхні Землі в певному порядку. Найбільший у світі Т-подібний радіотелескоп такого типу УТР-2 є в Харківській області, має розміри 1800900 м.

Найбільша у світі радіоастрономічна антена, встановлена у кра­тері згаслого вулкана Аресібо на острові Пуерто-Ріко, має діаметр 305 м.  Нерухома антена, спрямована в зеніт.

Інші найбільші радіотелескопи з параболічною антеною встанов­лено: в Радіоастрономічному інституті ім. М. Планка (Еффельсберг, ФРН) - діаметр антени 100 м, в обсерваторії Грін Бенк у штаті Вірджинія (США) - ан­тена 110x100 м, а та­кож 76-метровий РТ в обсерваторії Джодрел Бенк (Англія), 64-метровий РТ в обсерва­торії Парке (Авст­ралія), 22-метровий РТ недалеко від Євпаторії в Криму.

Радіотелескопи дуже великих розмірів можуть бути побудовані з великої кількості окремих дзеркал, що фокусують випромінювання на один опромінювач. Прикладом є РАТАН-600 («радіотелескоп Академії наук, діаметр 600 м»), встановлений поблизу станиці Зе­ленчук на Північному Кавказі неподалік від 6-метрового оптичного телескопа. Він являє собою замкнене кільце діаметром 600 м і скла­дається з 900 плоских дзеркал розмірами 2x7,4 м, що утворюють сег­мент параболоїда. В такому РТ може працювати як усе кільце, так і його частина.

Радіоінтерферометри – пристрій для вимірювання з високою кутовою роздільністю, який складається із кількох антен, розміщених на великих відстанях і зв’язаних ВЧ лініями зв’язку (використовується явище інтерференції).

На сьогодні найвідомішим РІ є введений у дію 1980 р. РТ VLA («Very Large Array - «Дуже велика гратка»), який встановлено в пустельній місцевості штату Нью-Мексико, США. Цей РТ складається з 27 повноповоротних 25-метрових параболічних антен, розміщених у формі літери Y з довжиною двох плечей по 21 км, а третього - 19 км. У цьому і аналогічних випадках антени пов'язані між собою електрични­ми лініями.

6. Електронні прилади для астрономічних досліджень.

Фотопоелектронні помножувачі - електронні прилади для реєстрації випромінювання небесних світил, в яких потік фотонів перетворюється в електричний струм (дія ґрунтується на явищі зовнішнього фотоефекту).

Електронно-оптичні перетворювачі – прилади, в яких інфрачервоне зображення перетворюється у видиме.

Прилади зарядового зв’язку (ПЗЗ) – прилади для одержання зображення (використовується внутрішній фотоефект). ПЗЗ більш ефективні, ніж фотоплівки, бо сприймають 75% фотонів, а фотоплівка – лише 5%.

7. Астрономічні обсерваторії.

Перші обсерваторії: розпочалось будівництво перших державних астрономічних обсерваторій (АО): Паризької (1671 p.), Гринвіцької (1675 р.) .

В наш час у світі налічують близько 400 АО. В Україні провідними є Головна астрономічна обсерваторія НАН України (1944 p.), Інститут радіоастрономії з його унікальним декаметровим телескопом УТР-2 під Харковом, Кримська астрофізична обсерваторія (1950 p.). Певні традиції досліджень і спостережень зберігають AO університетів - Львівського (1769 p.), Харківського (1898 p.), Київського (1845 p.), Одеського (1871 p.).

Серед найбільших AO світу найвідомішими сьогодні є:

- введена в дію 1990 р. АО на вершині древньої вулканічної гори Мауна-Кеа (4215 м, о. Гавайї), тут встановлено кілька 4-метрових телескопів, а також теле­скопи «Кек», «Джеміні», «Субару»;

- англійська АО на о. Ла-Пальма (2327 м, 1986 p.);

- американська АО Лас-Кампанас (2280 м, 1976 p.) у Чилі і там же європейська AO Ла-Сілла (2347 м, 1976 p.), де встановлено «Дуже великий телескоп».

8. Вивчення Всесвіту за допомогою космічних апаратів.

В останні роки ведуться спостереження небесних об'єктів із страто­статів, штучних супутників Землі, орбітальних космічних станцій та автоматичних міжпланетних станцій (АМС). В космосі працює ціла низка інфрачервоних, ультрафіолетових, рентгенівських, гамма-об-серваторій, які досліджують небо у всіх діапазонах електромагнітних хвиль, наприклад рентгенівська обсерваторія «Чандра». Важливою для астрономів подією був запуск 25 квітня 1990 р. на орбіту висотою 612 км «Космічного телескопа ім. Габбла» з діамет­ром дзеркала 2,4 м, який вирішує велику кількість астрофізичних за­дач. Загалом з 1962 р. для астрономічних досліджень запущено більше 50 ШСЗ та АМС.