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:

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.