Астрономия – это что за наука? Подразделение астрономии. Главнейшие разделы астрономии. Классическая астрономия Каков основной научный метод астрономии

Ч. 1
Глава 1

ПРЕДМЕТ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НАБЛЮДЕНИЙ
1.1. Астрономические наблюдения

Как утверждают учебники, астрономия - наука о Вселенной, изучающая происхождение, строение и развитие небесных тел и их систем. В последние годы стали выделять особо космические исследования, понимая под этим исследование космического пространства, окружающего Землю и другие тела Солнечной Системы. Это связано с развитием технических средств научных исследований и, кроме всего, с созданием искусственных небесных тел - спутников, космических аппаратов, зондов, проникающих далеко в космическое пространство, сделанных руками человека.

Основной источник информации в астрономии - наблюдения. Нельзя путать астрономические наблюдения с созерцанием звездного неба! Очень часто профессиональный астроном-наблюдатель не знает где и какие созвездия располагаются на небе. Его может совершенно не интересовать, к какому созвездию относится наблюдаемая звезда или другой звездоподобный объект. Образы мифологических героев и животных на небе - для любителей астрономии.

Астроном-наблюдатель - это не мудрец, стоящий на балконе с длинной зрительной трубой (телескопом). Хотя М.В.Ломоносов именно в зрительную трубу открыл атмосферу Венеры, наблюдая за вспышкой ореола вокруг планеты. Такое явление как покрытие звезд спутниками и планетами наблюдали и в древности и сейчас. Правда, человеческий глаз заменен на светочувствительные электронные элементы, моменты времени покрытия измеряются сверхвысокоточными генераторами стандартной частоты. Астрономические наблюдения превратились в самый современный физический эксперимент. Однако астрономические наблюдения имеют и серьезные отличия от физического эксперимента. Прежде всего, это то, что наблюдатель (экспериментатор) не может изменить условия наблюдения, не может воздействовать на объекты наблюдения. Источником информации служит, как правило, электромагнитное излучение исследуемого объекта, изменить которое наблюдатель не в силах. Но он может заменить приемник этого излучения и получить новые характеристики исследуемого объекта. Современные астрономические наблюдения выполняются в очень широком диапазоне частот: от рентгеновских до радиоволн. В зависимости от диапазона наблюдаемых частот вводят различные “астрономии” - радиоастрономия, инфракрасная, оптическая, рентгеновская и т.п.

Итак, что же такое астрономическое наблюдение? На каком этапе нужно прибегать к математической обработке этого наблюдения? Какие задачи ставит перед собой математическая обработка? На эти вопросы и попытаемся ответить.

Предположим, что наблюдателю требуется определить момент прохождения заданной каталогом звезды через меридиан. Прежде, чем приступить к наблюдениям астроном должен установить телескоп так, чтобы звезда в нужный момент оказалась в поле зрения. Поэтому с помощью формул наблюдатель должен сначала предвычислить положение трубы телескопа и момент прохождения звезды. Эти данные готовят заранее. Теперь на этом примере проследим эволюцию техники наблюдения. Прежде всего, эти наблюдения производят на неподвижном инструменте (пассажный инструмент, универсал и т.п.), в поле зрения которого вследствие суточного вращения изображение звезды движется. Для определения момента прохождения через меридиан наблюдатель лет 50 назад брал с собой часы-хронометр, четко отбивающие секунды. За несколько секунд до прохождения звезды через вертикальную линию в поле зрения окуляра, отождествляемую с положением меридиана, наблюдатель “берет счет секунд” и внимательно следит за движением звезды. Например, звезда пересекла “меридиан” в промежутке, когда хронометр отбивал 19-ую и 20 секунды. Эти доли секунды определяют не отрываясь от окуляра, оценивая относительное расстояние от звезды до вертикальной линии в момент 19 с по всему пути прохождения звезды за всю секунду на глаз. Этот метод, известный в древней астрономии как метод Брадлея (Bradley), требовал от наблюдателя огромного напряжения. При этом ошибки наблюдений до 0,1-0,2с были неизбежны. Этот метод еще долго применялся у геодезистов для определения астрономических координат в полевых условиях и для определения астропунктов. Изобретение “безличного микрометра” значительно облегчило задачу наблюдений. Теперь наблюдатель должен лишь держать движущуюся звезду между двумя близкими вертикальными линиями - биссектором. А электрические контакты микрометра и хронометра позволили весь процесс движения звезды записать на бумажной ленте, которую можно измерить в спокойной обстановке, днем в лаборатории. Замена ленточного самописца хронографом полностью исключила необходимость измерения ленты. Однако и этот метод требует от наблюдателя искусства. Он должен очень точно, равномерно перемещать биссектор, причем так, чтобы звезда оставалась строго посередине между двумя вертикальными линиями. Изобретение разнообразной светочувствительной электроники позволило избавить наблюдателя и от этой операции. Теперь в поле зрения трубы поставили фотоэлементы. Переход изображения звезды с одного фотоэлемента на другой вызовет скачок электрического напряжения, момент которого можно определить с помощью специального генератора стандартной частоты. Остается только эти сигналы направить в соответствующие блоки, соединенные с компьютером, который с высокой точностью вычислит и момент прохождения звезды через меридиан. Роль наблюдателя в этом случае - в правильной, аккуратной эксплуатации всей аппаратуры, включая и астрономический инструмент.

Нужно сказать, что эволюция техники наблюдений этим не завершилась. Наблюдения моментов прохождения звезд через меридиан проводят, в частности, при астрометрическом исследовании движения планеты Земля (геодинамики) - базы для построения фундаментальной системы координат, необходимой при изучении Вселенной. Сейчас для этой цели используют методы, значительно отличающиеся от классических. Даже такой сугубо астрометрический инструмент как телескоп для некоторых астрономических задач уходит в историю. В частности, для изучения движения полюса и неравномерности вращения Земли применяют радиоинтерферометрию со сверхдлинной базой (РСДБ), лазерную локацию спутников и спутниковую систему “глобального позиционирования”. Все эти методы появились совсем недавно, когда космические исследования стали одной из важнейших наук о Земле и Вселенной.

При астрометрических и астрофизических наблюдениях широко применяется астрофотография. На фотопластинках с необходимыми светочувствительными характеристиками получают фотографии участков неба, планет и их спутников, спектры звезд и других небесных объектов. Сейчас появилась возможность (хотя и очень дорогая!) астрономические фотоаппараты - астрографы - размещать на космических аппаратах, где отсутствует атмосфера, затрудняющая астрономические наблюдения на Земле. Впечатляющие фотографии поверхности Марса, его спутников, колец Сатурна и даже Юпитера, о которых ранее ничего не было известно, получены с космических аппаратов. Изображение исследуемого объекта теперь получают не только на фотопластинках, но и на экранах персональных компьютеров, да еще в цвете (правда, искусственном). Фотопластинку в современной астрономии заменяют ПЗС-матрицы - своего рода фасеточные глаза, которыми природа снабдила насекомых. Это плотно упакованное на небольшой площадке множество микрофотоэлементов (пикселей), каждый из которых меняет электрический заряд при изменении его освещенности. Изображение объекта на ПЗС-матрице переводится на язык чисел и вводится в компьютер. Тот, в свою очередь, по желанию оператора высвечивает изображение на дисплее либо целиком, либо отдельными частями в разных масштабах. Именно таким образом исследовалась недавно (1986) комета Галлея, которая проходила близко от Солнца. Для того, чтобы на нее посмотреть, этими “электронными” глазами были снабжены космические аппараты, близко пролетающие около кометы.

Итак, какова же цель астрономического наблюдения? Отнюдь не только получить изображения космического тела, хотя это и интересно. Основной задачей астрономических наблюдений является получение наблюдательных данных (сведений) об исследуемом объекте: координаты на небесной сфере, на фотопластинке, распределение плотности почернения в изображении спектра и т.п. Все эти данные выражаются в числах, таблицах, графиках. Итогом наблюдений астероида являются две координаты на небесной сфере и момент наблюдения. Наблюдения звездных спектров могут быть записаны в виде кривых, полученных после автоматического “считывания” плотности фотографического изображения на фотопластинке с помощью микроденситометра. В любом случае итог наблюдений - данные, подлежащие математической обработке с целью определить необходимые параметры исследуемого объекта, выполнить интерпретацию данных, построить модель этого объекта.
1.2. Погрешности наблюдений

Число, график, которые получают в процессе наблюдений не абсолютно точны. Это связано с тем, что числовые данные мы получаем из измерений на пределе возможностей измерительных приборов. Так в примере наблюдения момента прохождения звезды через меридиан измерительным прибором является сам телескоп, а задачей наблюдателя является снимать отсчеты со шкалы времени, которую нам дает хронометр. В любых физических экспериментах часто приходится пользоваться измерительными шкалами. В том случае, когда отсчет приходится на промежуток между делениями шкалы производится оценка (интерполирование) на глаз с точностью до десятой доли этого деления. В астрономии это приходится делать, например, при пользовании угломерными инструментами.

Оценка на глаз не может быть произведена точно. Неизбежна погрешность отсчета. Замена глаза на светочувствительные элементы уменьшает, но не снимает полностью проблему погрешностей измерений. Сама звезда из-за несовершенства оптики - не точечное изображение. Кроме того, флуктуации плотности атмосферы вызывают “мерцание” звезды. Она не стоит на месте, а имеет хаотическое движение около своего “истинного” положения. Все это приводит к расплыванию изображения, а вместе с ним “расплыванию” отсчета.

Вместо термина “погрешность” часто применяют термин “ошибка”, особенно в старых математических работах. Сейчас оба эти термина имеют одинаковое право на употребление. Хотя ошибкой называют и понятие, не имеющее никакого отношения к математической обработке наблюдений. В английском языке error - математическая ошибка, mistake - ошибка, заблуждение. Например, по ошибке вы можете перепутать знак числа, по ошибке воспользоваться не той формулой и т.п. Такого рода ошибки относят к промахам.

Ошибки делят на систематические и случайные .

Основное свойство случайной ошибки - ее непредсказуемость. Кроме того, предполагают, что случайная ошибка может как преувеличить результат, так и преуменьшить его. Мысленно представим себе возможность повторения наблюдения неограниченное число раз, чего часто на практике сделать нельзя. Наблюдение конкретной звезды через меридиан может быть только одно. Его нельзя повторить, время ушло. Условия для наблюдения на следующую ночь, строго говоря, другие. Это не будет повторением первого наблюдения. В случае, когда числовые данные наблюдений получают в лабораторных условиях, например, измеряя координаты изображения звезды на фотопластинке, то процедуру измерения можно повторять сколько угодно раз, пока хватит терпения. При этом вы будете получать все время разный результат. Какой же из них верный?

Пусть наблюдаемый параметр есть
, а измерения дают
. Тогда ошибкой измерения будет

.

Ошибку
называют случайной, если помимо ее непредсказуемости она обладает следующими свойствами:

1) равенства нулю ее среднего значения
,

2) независимость одного измерения от другого. Критерием независимости служит равенство нулю среднего значения произведения всех разных ошибок. Пусть
и
- ошибки соответственно i-го и j-го наблюдений (
), причем j-i=m . Составим произведения
.Число таких произведений будет n-m, где n - общее число измерений. Очевидно, что равенство нулю среднего значения можно записать как
.

Для независимых измерений это равенство должно выполняться для любого смещения m  0 .

Первое из свойств интуитивно легко понять. Сумма
содержит как положительные, так и отрицательные слагаемые, которые как увеличивают сумму, так и уменьшают ее. В результате сумма с увеличением числа членов растет медленнее, чем само n. Отсюда, отношение суммы к числу измерений стремится к нулю.

Однако это будет не ноль, если, например, число положительных членов, как правило, больше, чем отрицательных. Среднее значение в этом случае не будет равно нулю, и ошибку, строго говоря, нельзя назвать случайной, хотя она по-прежнему непредсказуема.

Второе свойство понять сложнее, хотя для его обоснования можно снова воспользоваться тем же аргументом: сумма содержит члены с разными знаками, которые компенсируют друг друга. Варианты

Понятие независимости измерений можно распространить и на измерения двух параметров. Пусть подлежат определению X и Y, в результате измерений будем одновременно иметь пару и (i=1,2,..n). Ошибками измерений называют разности

,

.

Ошибки будут независимыми, если среднее значение суммы произведений
равно нулю:

Представим себе, что преувеличение величины X влечет за собой и преувеличение величины Y, и наоборот - уменьшение X влечет за собой уменьшение Y. Тогда произведения
будут иметь тенденцию сохранять знак и упомянутое выше равенство нулю не выполняется. В этом случае имеет место статистическая зависимость
и
друг от друга. Измерения нельзя считать независимыми.

Итак, ошибки измерения (наблюдения) называют случайными , если они помимо непредсказуемости (случайности) удовлетворяют требованию равенства нулю их среднего значения и условию независимости. Впрочем, последнее требование в некоторых случаях может и не выполняться. Эти случаи мы будем специально оговаривать.

Основное свойство систематических ошибок - невозможность уменьшения их влияния на результат путем многократных повторений. Вернемся снова к нашему примеру с наблюдением прохождения звезды через меридиан. Инструмент, на котором мы наблюдаем, должен быть установлен в меридиане. Предположим, что он слегка повернут к востоку. Тогда звезды в верхней кульминации будут достигать инструментального “меридиана” несколько раньше истинного. Причем, все звезды, которые мы наблюдаем! Ошибка всюду одного знака, хотя она будет зависеть от высоты звезды. Никакими многократными измерениями ее устранить нельзя. На практике вводят поправку за азимут инструмента, которая определяется специально, путем проведения дополнительных исследований.

Систематические ошибки возникают и в том случае, когда теория недостаточно строга, если она не учитывает каких-либо существенных факторов или работает с неадекватной моделью. Например, при определении расстояния до искусственного спутника Земли путем лазерной локации нужно знать скорость распространения света в атмосфере Земли. Для этого необходимо принять модель атмосферы за истину и по отношению к ней получить необходимые формулы для вычисления поправок. Если модель неверна, будут одинаковые погрешности во всех наблюдениях.

Такие разделы астрономии как астрометрия, гравиметрия, фотометрия и другие - это разделы науки, исследующие возможности устранения систематических погрешностей. Поэтому в каждом конкретном случае методика исключения систематической ошибки изучается в соответствующем разделе астрономии и выходит за рамки нашего курса.

Систематические ошибки могут быть и неустранимые. Примером тому можно взять построение звездного каталога. Для определения координат звезд относительным методом выбирают опорные звезды и измеряют приращение координат по прямому восхождению и склонению,
и
(см. рис.). Если координаты опорной звезды
, то зная
и
, получаем измеряемые координаты:

Таких звезд, координаты которых определяют относительно опорной звезды, может быть сколько угодно. Но их координаты будут содержать кроме погрешностей измерения
и
и погрешности, которые содержат координаты опорных звезд. Последние относятся к типу систематических. Они неизвестны и устранить их невозможно. В этом случае можно сказать, что координаты звезд определены в системе данной опорной звезды. Практически берут не одну, а много опорных звезд, относящихся к одному каталогу. Тогда говорят, что координаты определены в системе опорных звезд данного каталога.

Как следует из вышеизложенного, математической обработке подвергают не наблюдения, а результаты этих наблюдений, заданные в виде чисел, таблиц или графиков. Формулы, по которым производится вычисление при подготовке к наблюдениям и после их выполнения выводятся в теории соответствующего раздела астрономии. Наш курс охватывает некоторые общие особенности вычислительного процесса, которые относятся к любой астрономической, да и физической задачам.

Одна из основных задач - составление алгоритмов вычисления, схем, вычислительных бланков и т.п., которые с вычислительной точки зрения грамотно организуют процесс вычислений. Прежде всего необходимо правильно использовать технику приближенных вычислений.

Приведем простой пример. Предположим, вам надо вычислить разность
без компьютера, а правила извлечения квадратного корня вы забыли! Очень быстро к результату приведет следующая “маленькая хитрость”:

С калькулятором пришлось бы пользоваться многозначными числами:

Второй пример. Нужно вычислить на калькуляторе разность
при
. Если использовать эту формулу “в лоб”, получим ,
. Если эту формулу преобразовать: , получим результат много точнее.

Третий пример. Дано число 2.378.... Остальные числа после запятой вам неизвестны. Предположим, что вам это число нужно разделить на 17. Берем калькулятор и вычисляем:

2,378:17=0.13988235

Сначала выпишем все цифры, которые высвечиваются на табло калькулятора. Но, как я говорил, цифры после...8 нам неизвестны. А может, должно быть 2.3789?! В этом случае частное от деления на 17 будет равно 0.13993529 . Видно, в зависимости от того, какая цифра следует за...8, будут меняться 5 последних цифр результата. Поэтому их следует считать неизвестными, хотя они и высвечиваются на табло. Использовать полученный результат в дальнейших вычислениях - бездарная перегрузка как машины, так и собственного времени. Подобного рода примеров можно привести множество.

Итак, первой задачей математической обработки является организация вычислений .

Как мы уже говорили, исходные данные содержат погрешности. Возникает сразу же вопрос - как велики они? Сказать, что погрешность равна какому-то определенному числу, нельзя, мы ее не знаем. Однако нам необходимо знать с какой же точностью получены эти данные. Например, можем ли мы измерить видимый диаметр Луны с точностью до 1 угловой минуты, 1 угловой секунды или, может быть, с точностью до долей секунды. Повторяя измерения многократно, мы можем составить себе представление о точности. Полный ответ на этот вопрос дают характеристики погрешности, определение которых входит в сферу интересов нашего предмета.

Следовательно, второй задачей математической обработки астрономических наблюдений будет определение характеристик точности наблюдения, измерения или, как чаще говорят, оценки точности наблюдения.

В астрономических исследованиях часто приходится прибегать к построению эмпирических формул. Пусть какой-либо параметр, зависящий от времени, есть y, тогда в результате повторения наблюдений в моменты будем иметь разные значения . Можно построить график зависимости y от t, но наблюденные точки (
) из-за ошибок наблюдения не выстраиваются “в цепочку”. Через них нельзя провести плавную кривую. Тогда поступают следующим образом. Проводят плавную кривую без изломов так, чтобы наблюденные точки лежали по обе стороны кривой, притом сколько выше кривой, столько и ниже. Как правило, интуиция подсказывает нам, как провести эту кривую, и это будет эмпирическая кривая . Однако ее нельзя использовать для дальнейших математических выкладок. Нужна эмпирическая формула . Это, обычно, сумма синусоид с разными амплитудами, периодами и фазами. Это может быть экспоненциальная или логарифмическая кривые. Часто пользуются степенными полиномами. Нужно только так определить параметры этой функции, чтобы она наилучшим образом аппроксимировала, т.е. изображала изменение наблюденного параметра от времени.

Сказанное выше можно перевести на язык формул. Пусть аппроксимирующая наблюдения функция содержит m неизвестных параметров, а аналитический вид самой функции мы выбрали заранее. Обозначив искомые параметры через
, а функцию через
,будем иметь

где - “невязки” (остаточные разности, residuals).

Невязки показывают, насколько наблюденные значения (О) отличаются от вычисленных (С). Иначе говоря, наши “невязки” есть ничто иное как О-С - так традиционно обозначают в астрономии эти разности (Observatio-Calculatio).

Приведенную формулу можно считать системой n уравнений с m неизвестными. При
система переопределена (число уравнений больше числа неизвестных). Можно, конечно, отобрать из наблюдений ровно столько, сколько нужно, а остальные отбросить. Тогда получим одно решение. Если отобрать другие наблюдения, получим другое решение. Так можно поступать неоднократно (точнее, n-m раз), получая все новые и новые решения. Какие же параметры следует считать наилучшими? Ответ на этот вопрос дает математическая обработка наблюдений.

Итак, третьей задачей нашего предмета является определение точечных оценок параметров - так называется эта процедура. Точечными оценками называются конкретные приближенные значения параметров, совокупность которых дает точку в m-мерном пространстве.

Невязки могут быть пренебрежимо малыми или, наоборот, очень большими. Понятно, что степень доверия к определению параметров будет разная. Поэтому важной характеристикой оценки параметров является ее надежность - вполне математическая характеристика оценивания. Строго говоря, мы можем указать лишь интервал значений параметров. Чем больше этот интервал, тем выше надежность утверждения, что искомое значение параметра (или параметров) лежит внутри этого интервала; чем меньше интервал, тем меньше и надежность. Задача определения интервала при заданной надежности называется интервальной оценкой параметров , которую мы отнесем к четвертой задаче математической обработки наблюдений.

Наш курс следовало бы назвать введением в математическую обработку. Более глубокое изучение предмета опирается на соответствующие разделы математики, в частности, численные методы, теорию вероятностей и математическую статистику. Все эти предметы вы будете изучать на разных курсах университета. Однако совершенствоваться по теории и практике этого предмета придется всю жизнь вместе с развитием вычислительных средств и практических алгоритмов обработки наблюдений. А пока можно рекомендовать следующую литературу:

1)Демидович Б.П., Марон И.А. “Основы вычислительной математики”, 1970г.

2)Тейлор Дж. “Введение в теорию ошибок”, 1985 г.

3)Щиголев Б.М. “Математическая обработка наблюдений”, 1969 г.

В структуре астрономической науки можно выделить нижеследующие составные части:

1. Астрометрию.
2. Небесную механику.
3. Теоретическую астрономию.
4. Астрофизику.
5. Звёздную астрономию.
6. Космохимию.
7. Космогонию.
8. Космологию.

Разделы, решающие астрономическое изучение хода небесных объектов

Астрометрия . Эта область астрономической науки отвечает за изучение кинематики и геометрии небесных объектов.

Замечание 1

Главное назначение астрометрии заключается в нахождении с высокой точностью координат небесных объектов, а также векторных величин их скоростей в заданный период времени.

Характеристика этих параметров задаётся шестью астрометрическими величинами:

1. Прямым экваториальным восхождением (длиной экваториальной небесной дуги).
2. Прямым экваториальным склонением (угловым расстоянием до небесной экваториальной плоскости).
3. Экваториальной скоростью в прямом восхождении.
4. Экваториальной скоростью в прямом склонении.
5. Параллаксами (переменой наблюдаемого местоположения объекта).
6. Лучевыми (радиальными) скоростями.

В случае высокоточного замера этих величин, можно получить добавочные сведения о небесном теле, а именно:

1. Об абсолютной светимости.
2. О массе и возрасте небесного тела.
3. О местоположении небесного тела.
4. О классе объекта.
5. О наличии спутников.

Астрометрия даёт сведения, необходимые для продвижения вперёд других областей астрономии.

Небесная механика . Является областью астрономии, которая использует правила классической механики при исследовании и расчёте хода небесных объектов, в основном относящихся к солнечной системе, и событий, взаимосвязанных с этим движением.

Для небесной механики характерно её подчинение законам Ньютона:

• Закон инерции. Данный закон утверждает, что в перемещающейся с нулевым ускорением системе координат, при отсутствии внешнего воздействия все объекты остаются в покое или имеют прямолинейный и равномерный ход. Сила извне нужна лишь для придания телу движения, для торможения его или перемены вектора скорости. Под воздействием силы телам придаётся ускорение - показатель быстроты изменения величины скорости. Если у небесного объекта наблюдается ускорение, следовательно, на него осуществляется внешнее воздействие. Так как движение по криволинейной орбите всегда происходит с ускорением (нормальным, иначе центростремительным), планеты (в частности и Земля) постоянно подвержены действию, так называемой, гравитационной силы. Целью небесной механики является нахождение зависимости между гравитационной силой гравитации и ходом небесного объекта.
• Закон силы. Под воздействием силы, приложенной к объекту, он осуществляет ускоренное движение (при большей силе - большее ускорение). Сила одинаковой величины придаёт различным телам разные ускорения. Показатель инертности объекта - «масса», каковую можно назвать «количеством вещества» - чем тело массивнее, тем больше его инертность и, как следствие, тем меньше его ускорение. Следовательно, ускорение соразмерно силе, приложенной к телу, и обратно пропорционально его массе. При определённых значениях ускорения и массы объекта, легко находится сила, воздействующая на него.
• Закон противодействия. По этому закону, взаимодействие тел происходит силами одинаковыми по модулю, но имеющими разную направленность. Следовательно, если в систему входит два тела, воздействующих одно на другое равной по модулю силой, они приобретают ускорение в обратной пропорции к их массам. Отсюда, точка, находящаяся на линии соединяющей объекты, отдалённая от них в обратной пропорции к их массам, получит движение с нулевым ускорением, невзирая на то обстоятельство, что у каждого тела ускоренный ход. Точка эта именуется «центром масс», обращение двойных звёзд происходит вокруг такой точки.

Теоретическая астрономия . Предмет изучения этого раздела астрономии : относительное движение в системе двух тел на базе закона всемирного тяготения, без учёта влияния на них сторонних объектов, каковое обычно сказывается в весьма слабой форме и в первичных расчётах его можно не учитывать. В частности, в системе Солнца на все планеты действуют гравитационные силы других планет, но т.к. они столь малы в сопоставлении с солнечной гравитацией, то иногда их можно не учитывать. Главный вопрос, который решает теоретическая астрономия - определение компонентов орбит небесных объектов на базе долговременных наблюдений за ними. Вторая задача, решаемая значительно легче, заключается в составлении по изученным орбитальным элементам таблицы пространственно-временных координат небесных объектов наблюдаемых с Земли (эфемериды).

Рисунок 1. Астрометрия. Масштабы космических расстояний. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Астрофизика. Предметами исследования в астрофизике являются: структура, особенности физического устройства и химическое строение небесных тел. Подразделами астрофизики являются: практическая (наблюдательная) астрофизика и теоретическая астрофизика.

Основные эмпирические приёмы астрофизики:

1. Спектральный анализ.
2. Фотография.
3. Фотометрия.

Замечание 2

Теоретическая астрофизика оперирует как средствами анализа, так и компьютерным моделированием при исследовании разных астрофизических событий, создании их моделей и теоретическом их обосновании.

Разделы, решающие астрономическое изучение структуры небесных объектов

В звёздной астрономии исследуются законы размещения светил по объёму вселенной и их движение.

Космохимия занимается изучением химического строения небесных объектов, законами распространения и дислокации химических элементов на просторах Вселенной. Она изучает процессы образования космической материи.

Один из главных вопросов, решаемый в космохимии – познание, исходя из структуры и распространения химических элементов, процессов развития небесных объектов, определение, исходя из их химической природы, истории их возникновения и развития. Главное внимание космохимия отдаёт вопросам распространения и дислокации химических элементов в космическом пространстве. Химическая структура Солнца, внутренних планет, метеоритов и астероидов, скорее всего, фактически схожа. Разные периоды звёздного развития дают различную химическую структуру светил.

Рисунок 2. Наблюдаемые спектры атмосферы Земли и Марса. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Космогония является областью астрономической науки, которая занимается изучением возникновения и эволюции небесных объектов: звёзд и их скоплений, туманностей, галактических систем, солнечной системы вместе с самим светилом, планетарных систем с их спутниками, метеоритов, астероидов, комет.

Космогония тесно связана с астрофизикой. Так как все космические объекты рождаются и эволюционируют, свойственные им динамические процессы имеют взаимосвязь с их природой. Поэтому современная космогония всеобъемлюще пользуется физическими и химическими методами исследований.

Космология. Данный раздел астрономии ответственен за изучение обобщённых законов устройства и эволюции Мира.

Не раз, поднимая глаза к ночному небу, мы задавались вопросом – что находится в этом бесконечном пространстве?


Вселенная таит в себе множество тайн и загадок, но существует наука под названием астрономия, которая уже много лет изучает космос и пытается объяснить его происхождение. Что это за наука? Чем занимаются астрономы и что именно изучают?

Что означает слово «астрономия»?

Термин «астрономия» появился в Древней Греции в III–II столетиях до нашей эры, когда в научной среде блистали такие ученые, как Пифагор и Гиппарх. Понятие является сочетанием двух древнегреческих слов – ἀστήρ (звезда) и νόμος (закон), то есть астрономия – это закон о звездах.

Не следует путать этот термин с другим понятием – астрологией, которая занимается изучением воздействия небесных тел на Землю и человека.

Что такое астрономия?

Астрономией называют науку о Вселенной, определяющую расположение, структуру и образование небесных тел. В современное время она включает в себя несколько разделов:

— астрометрию, которая изучает расположение и движение космических объектов;

— небесную механику – определение массы и формы звезд, изучение законов их передвижения под воздействием сил тяготения;


— теоретическую астрономию, в рамках которой ученые разрабатывают аналитические и компьютерные модели небесных тел и явлений;

— астрофизику – изучение химических и физических свойств космических объектов.

Отдельные ветви науки направлены на изучение закономерностей пространственного расположения звезд и планет и рассмотрение эволюции небесных тел.

В XX веке в астрономии появился новый раздел под названием археоастрономия, направленный на изучение астрономической истории и выяснение познаний в области звезд в древние времена.

Что изучает астрономия?

Предметами астрономии являются Вселенная в целом и все находящиеся в ней объекты – звезды, планеты, астероиды, кометы, галактики, созвездия. Астрономы изучают межпланетные и межзвездные вещества, время, черные дыры, туманности и системы небесных координат.


Словом, под их пристальным вниманием находится всё, что связано с космосом и его развитием, в том числе астрономические инструменты, символы и .

Когда появилась астрономия?

Астрономия – одна из самых древних наук на Земле. Точную дату ее появления назвать невозможно, но хорошо известно, что изучением звезд люди занимались как минимум с VI–IV тысячелетий до нашей эры.

До наших дней дошло множество астрономических таблиц, оставленных жрецами Вавилона, календари племен майя, Древнего Египта и Древнего Китая. Большой вклад в развитие астрономии и изучение небесных светил сделали древнегреческие ученые. Пифагор первым предположил, что наша планета имеет форму шара, а Аристарх Самосский первым сделал выводы о ее вращении вокруг Солнца.

Долгое время астрономия была связана с астрологией, но в эпоху Возрождения выделилась в отдельную науку. Благодаря появлению телескопов ученые сумели открыть галактику Млечный Путь, а в начале XX века поняли, что Вселенная состоит из множества галактических пространств.

Наибольшим достижением современности стало появление теории об эволюции Вселенной, согласно которой она расширяется с течением времени.

Что такое любительская астрономия?

Любительская астрономия – это хобби, при котором люди, не имеющие отношения к научным и исследовательским центрам, ведут наблюдение за космическими объектами. Надо сказать, что подобное развлечение вносит весомый вклад в общее развитие астрономии.


Любителями было сделано множество интересных и достаточно важных открытий. В частности, в 1877 году русский наблюдатель Евграф Быханов первым высказал современные взгляды на образование Солнечной системы, а в 2009 году австралиец Энтони Уэсли обнаружил следы падения космического тела (предположительно кометы) на планету Юпитер.

1. Что изучает астрономия. Связь астрономии с другими науками, ее значение

Астрономия * - наука, изучающая движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем. Накопленные ею знания применяются для практических нужд человечества.

* (Это слово происходит от двух греческих слов: астрон - светило, звезда иномос - закон. )

Астрономия является одной из древнейших наук, она возникла на основе практических потребностей человека и развивалась вместе с ними. Элементарные астрономические сведения были известны уже тысячи лет назад в Вавилоне, Египте, Китае и применялись народами этих стран для измерения времени и ориентировки по сторонам горизонта.

И в наше время астрономия используется для определения точного времени и географических координат (в навигации, авиации, космонавтике, геодезии, картографии). Астрономия помогает исследованию и освоению космического пространства, развитию космонавтики и изучению нашей планеты из космоса. Но этим далеко не исчерпываются решаемые ею задачи.

Наша Земля является частью Вселенной. Луна и Солнце вызывают на ней приливы и отливы. Солнечное излучение и его изменения влияют на процессы в земной атмосфере и на жизнедеятельность организмов. Механизмы влияния различных космических тел на Землю также изучает астрономия.

Курс астрономии завершает физико-математическое и естественнонаучное образование, получаемое вами в школе.

Современная астрономия тесно связана с математикой и физикой, с биологией и химией, с географией, геологией и космонавтикой. Используя достижения других наук, она в свою очередь обогащает их, стимулирует их развитие, выдвигая перед ними все новые задачи.

Изучая астрономию, необходимо обращать внимание на то, какие сведения являются достоверными фактами, а какие - научными предположениями, которые со временем могут измениться.

Астрономия изучает в космосе вещество в таких состояниях и масштабах, какие неосуществимы в лабораториях, и этим расширяет физическую картину мира, наши представления о материи. Все это важно для развития диалектико-материалистического представления о природе.

Предвычисляя наступление затмений Солнца и Луны, появление комет, показывая возможность естественнонаучного объяснения происхождения и эволюции Земли и других небесных тел, астрономия подтверждает, что предела человеческому познанию нет.

В прошлом веке один из философов-идеалистов, доказывая ограниченность человеческого познания, утверждал, что, хотя люди и сумели измерить расстояния до некоторых светил, они никогда не смогут определить химический состав звезд. Однако вскоре был открыт спектральный анализ, и астрономы не только установили химический состав атмосфер звезд, но и определили их температуру. Несостоятельным оказались и многие другие попытки указать границы человеческого познания. Так, ученые сначала теоретически оценили температуру лунной поверхности, затем измерили ее с Земли при помощи термоэлемента и радиометодов, потом эти данные были подтверждены приборами автоматических станций, созданных и посланных людьми на Луну.

2. Масштабы Вселенной

Вы уже знаете, что естественный спутник Земли - Луна является ближайшим к нам небесным телом, что наша планета вместе с другими большими и малыми планетами входит в состав Солнечной системы, что все планеты обращаются вокруг Солнца. В свою очередь Солнце, как и все звезды, видимые на небе, входит в состав нашей звездной системы - Галактики. Размеры Галактики так велики, что даже свет, распространяющийся со скоростью 300 000 км/с, проходит расстояние от одного ее края до другого за сто тысяч лет. Подобных галактик во Вселенной множество, но они очень далеки, и мы невооруженным глазом можем видеть лишь одну из них - туманность Андромеды.

Расстояния между отдельными галактиками обычно в десятки раз превосходят их размеры. Чтобы яснее представить себе масштабы Вселенной, внимательно изучите рисунок 1.

Звезды являются наиболее распространенным типом небесных тел во Вселенной, а галактики и их скопления - ее основными структурными единицами. Пространство между звездами в галактиках и между галактиками заполнено очень разреженной материей в виде газа, пыли, элементарных частиц, электромагнитного излучения, гравитационных и магнитных полей.

Изучая законы движения, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем, астрономия дает нам представление о строении и развитии Вселенной в целом.

Проникнуть в глубины Вселенной, изучить физическую природу небесных тел можно при помощи телескопов и других приборов, которыми располагает современная астрономия благодаря успехам, достигнутым в различных областях науки и техники.

Астрономия является одной из древнейших наук, истоки которой относятся к каменному веку (VI-III тысячелетия до н. э.). Астрономия изучает движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем. Человека всегда интересовал вопрос о том, как устроен окружающий мир и какое место он в нем занимает. У большинства народов еще на заре цивилизации были сложены особые - космологические мифы, повествующие о том, как из первоначального хаоса постепенно возникает космос (порядок), появляется все, что окружает человека: небо и земля, горы, моря и реки, растения и животные, а также сам человек.

На протяжении тысячелетий шло постепенное накопление сведений о явлениях, которые происходили на небе. Оказалось, что периодическим изменениям в земной природе сопутствуют изменения вида звездного неба и видимого движения Солнца. Высчитать наступление определенного времени года было необходимо для того, чтобы в срок провести те или иные сельскохозяйственные работы: посев, полив, уборку урожая.

Но это можно было сделать лишь при использовании календаря, составленного по многолетним наблюдениям положения и движения Солнца и Луны. Так необходимость регулярных наблюдений за небесными светилами была обусловлена практическими потребностями счета времени. Строгая периодичность, свойственная движению небесных светил, лежит в основе основных единиц счета времени, которые используются до сих пор, - сутки, месяц, год. Простое созерцание происходящих явлений и их наивное толкование постепенно сменялись попытками научного объяснения причин наблюдаемых явлений. Когда в Древней Греции (VI в. до н. э.) началось бурное развитие философии как науки о природе, астрономические знания стали неотъемлемой частью человеческой культуры.

Астрономия - единственная наука, которая получила свою музу-покровительницу - Уранию. С самых древних времен развитие астрономии и математики было тесно связано между собой. Вы знаете, что в переводе с греческого название одного из разделов математики - геометрии - означает «землемерие». Первые измерения радиуса земного шара были проведены еще в III в. до н. э. на основе астрономических наблюдений за высотой Солнца в полдень. Необычное, но ставшее привычным деление окружности на 360° имеет астрономическое происхождение: оно возникло тогда, когда считалось, что продолжительность года равна 360 суткам, а Солнце в своем движении вокруг Земли каждые сутки делает один шаг - градус.

Астрономические наблюдения издавна позволяли людям ориентироваться в незнакомой местности и на море. Развитие астрономических методов определения координат в XV-XVII вв. в немалой степени было обусловлено развитием мореплавания и поисками новых торговых путей. Составление географических карт, уточнение формы и размеров Земли на долгое время стало одной из главных задач, которые решала практическая астрономия. Искусство прокладывать путь по наблюдениям за небесными светилами, получившее название навигация, используется теперь не только в мореходном деле и авиации, но и в космонавтике. Астрономические наблюдения за движением небесных тел и необходимость заранее вычислять их расположение сыграли важную роль в развитии не только математики, но и очень важного для практической деятельности человека раздела физики - механики. Выросшие из единой когда-то науки о природе - философии - астрономия, математика и физика никогда не теряли тесной связи между собой.

Взаимосвязь этих наук нашла непосредственное отражение в деятельности многих ученых. Далеко не случайно, например, что Галилео Галилей и Исаак Ньютон известны своими работами и по физике, и по астрономии. К тому же Ньютон является одним из создателей дифференциального и интегрального исчислений. Сформулированный им же в конце XVII в. закон всемирного тяготения открыл возможность применения этих математических методов для изучения движения планет и других тел Солнечной системы. Постоянное совершенствование способов расчета на протяжении XVIII в. вывело эту часть астрономии - небесную механику - на первый план среди других наук той эпохи. Вопрос о положении Земли во Вселенной, о том, неподвижна она или движется вокруг Солнца, в XVI-XVII вв. приобрел важное значение как для астрономии, так и для миропонимания.

Гелиоцентрическое учение Николая Коперника явилось не только важным шагом в решении этой научной проблемы, но и способствовало изменению стиля научного мышления, открыв новый путь к пониманию происходящих явлений. Много раз в истории развития науки отдельные мыслители пытались ограничить возможности познания Вселенной. Пожалуй, последняя такая попытка случилась незадолго до открытия спектрального анализа. «Приговор» был суров: «Мы представляем себе возможность определения их (небесных тел) форм, расстояний, размеров и движений, но никогда, никакими способами мы не сможем изучить их химический состав...» (О. Конт). Открытие спектрального анализа и его применение в астрономии положило начало широкому использованию физики при изучении природы небесных тел и привело к появлению нового раздела науки о Вселенной - астрофизики.

В свою очередь, необычность с «земной» точки зрения условий, существующих на Солнце, звездах и в космическом пространстве, способствовала развитию физических теорий, описывающих состояние вещества в таких условиях, которые трудно создать на Земле. Более того, в XX в., особенно во второй его половине, достижения астрономии снова, как и во времена Коперника, привели к серьезным изменениям в научной картине мира, к становлению представлений об эволюции Вселенной. Оказалось, что Вселенная, в которой мы сегодня живем, несколько миллиардов лет тому назад была совершенно иной - в ней не существовало ни галактик, ни звезд, ни планет.

Для того чтобы объяснить процессы, происходившие на начальной стадии ее развития, понадобился весь арсенал современной теоретической физики, включая теорию относительности, атомную физику, квантовую физику и физику элементарных частиц. Развитие ракетной техники позволило человечеству выйти в космическое пространство. С одной стороны, это существенно расширило возможности исследования всех объектов, находящихся за пределами Земли, и привело к новому подъему в развитии небесной механики, которая успешно осуществляет расчеты орбит автоматических и пилотируемых космических аппаратов различного назначения.

С другой стороны, методы дистанционного исследования, пришедшие из астрофизики, ныне широко применяются при изучении нашей планеты с искусственных спутников и орбитальных станций. Результаты исследований тел Солнечной системы позволяют лучше понять глобальные, в том числе эволюционные процессы, происходящие на Земле. Вступив в космическую эру своего существования и готовясь к полетам на другие планеты, человечество не вправе забывать о Земле и должно в полной мере осознать необходимость сохранения ее уникальной природы.