Астрономия

DjVu

      ОБЩАЯ ЧАСТЬ
      ГЛАВА I.
      Введение.
      § 1. Астрономия, ее задачи и методы. Астрономия изучает движение, строение, взаимную связь и процессы развития небесных тел1.
      1 Слово «астрономия» — греческого происхождения и имеет два корня: «астрон» — светило и «номос» — закон. Науку астрономию справедливо считают древнейшей из наук. Уже за 5 — 6 тысяч лет до нашего времени кочевники Африки и Азии при своих передвижениях в пустынях ориентировались по звездному небу. Конечно, их познания еще не представляли собой науки, но они положили ей начало путем накопления фактов и установления простейших закономерностей. С течением времени, общее развитие экономики и всех наук вообще оказало воздействие и на развитие астрономии. Уже во II в. до н. э. древнегреческий астроном Гиппарх определил положения на небе свыше тысячи звезд и изучил видимое движение Солнца и Луны, тем самым положив начало астрономии как науке и увеличив возможности ее практического применения, необходимого для развития торговли и мореплавания. Сначала занятия астрономией, главным образом, имели целью вести счет времени, а также дать возможность мореплавателям точнее ориентироваться в море. С течением времени общее культурное развитие народов все больше и больше побуждало ученых не только разрабатывать практическое применение знаний, но и стремиться познать мир, исследовать закономерности и причины явлений. При этом очень большое значение имел переход от видимых движений небесных светил к их действительным движениям. Этот переход, сделанный на основе предыдущих многовековых наблюдений величайшим астрономом К о-перником, положил границу между древней астрономией, изучавшей лишь видимые движения, и новой астрономией, знающей действительные движения небесных тел.
      Развитие астрономической теории открыло широкие возможности как для практического применения астрономии, так и для понимания закономерностей и причин изменений, происходящих во вселенной. Общее развитие науки и техники давало норые возможности для исследований и ставило в то же время и новые задачи. Науки, особенно сильно влиявшие на развитие астрономии, были математика и физика. Физика в соединении с техникой дала возможность астрономии применить для изучения неба зрительные трубы, спектральный анализ, фотографию и фотометрию и в то же время поставила перед астрономией задачу исследования процессов развития материи во вселенной.
      В настоящее время связь астрономии с физикой стала так глубока, что появилась особая ветвь астрономии — астрофизика. Астрофизика, пользуясь теориями физики и химии, пользуясь инструментами, построение которых было бы невозможно без физики, в то же время дает все новый й новый материал для более глубокого познания форм существования материи и применяет теорию для углубленного исследования развития небесных тел. Ряд наиболее важных исследований строения материи, произведенных учеными новейшего времени, связан с результатами астрономических наблюдений, и, наоборот, исследования развития небесных тел неизменно проводились на основе знания физических законов. Математика дает астрономии методы, необходимые, для обработки произведенных наблюдений и для развития астрономической теории.
      Коренное отличие астрономии от физики представляет самый метод получения материала. Физика — наука опытная, астрономия — наблюдательная. Физика, стремясь исследовать закономерности и причины явлений, проводит в любое время опыты в наиболее подходящих для исследования условиях. Астрономия вынуждена следить за ходом явлений, так как не имеет возможности ни повторить, ни изменить движений небесных тел. Поэтому астрономы наблюдают явления тщательно, со всеми подробностями их описывают, точно отмечая при этом время, и только после накопления таких наблюдений имеют возможность сделать выводы. Астрономические наблюдения иногда оказываются необходимыми для физики. Например, современная физика не может поставить опыта для изучения материи при 11 000°; астрономы же могут наблюдать светила этой температуры и приходить здесь на помощь физикам, но уже Путем наблюдений, а не опытов.
     
      § 2. Очерк вселенной. После захода Солнца ночь наступает не сразу, небосвод темнеет постепенно, и с такой же постепенностью появляются на небе звезды; сначала их немного, но позже число звезд становится больше, и при этом звезды, появившиеся раньше, оказы-4
      ваются ярче, чем появившиеся позже. При наступлении полной ночи небо усеяно звездами различной яркости, а среди звезд проходит слабо светящаяся полоса, которую называют Млечным Путем. Среди групп звезд — созвездий — можно наблюдать Луну и яркие, похожие на звезды светила — планеты. Планеты по их виду можно отличить от звезд, так как они ^ишь слабо мерцают.
      Вид неба непрерывно меняется. Взаимное расположение звезд при наблюдениях невооруженным глазом остается неизменным, но все они перемещаются по небосводу (рис. 1 и 2). Их перемещение можно заметить невооруженным глазом за 15 — 20 минут, ас астрономическими трубами — в доли секунды. Луна и планеты изменяют свое место среди звезд, но неодинаково быстро; легче всего заметить движение Луны (рис. 3). Это явление можно пронаблюдать невооруженным глазом в течение получаса. Перемещение планет менее заметно — нужно следить за ними по меньшей мере несколько дней, чтобы установить, что планеты изменили свое положение относительно какой-нибудь из звезд.
      Не следует, однако, думать, что звезды представляют собой образец покоя и неподвижности. Долголетние наблюдения с большими астрономическими трубами показывают, что и звезды перемещаются на небе одйи относительно других, но нужно наблюдать много лет, чтобы специальными инструментами обнаружить эти перемещения (рис. 4). Таким образом, небо со всеми своими светилами является образцом вечной изменчивости.
      В сущности говоря, всякое движение, которое мы наблюдаем на небе, — относительно, так как все светила находятся в движении. Знание расстояний до небесных тел показывает, что наши непосредственные впечатления часто дают нам представление, обратное тому, что есть на самом деле. При наблюдениях передвижений Луны по звездному небу оно нам представляется наиболее быстрым потому, что Луна — ближайшее к нам светило; в действительности же как планеты, так и звезды, по отношению к которым мы наблюдаем движение Луны, имеют линейные скорости, несравненно бблыние, чем Луна.
      Вообще наблюдая движение светил, мы должны всегда помнить, что с какого-нибудь другого, отдаленного от Земли небесного тела и самое звездное небо и движения небесных светил представляются в ином виде.
      Мы говорили пока лишь о перемещениях самих светил, т. е. об изменениях механического характера. Астрономические наблюдения показывают, что и на поверхностях и внутри светил происходят изменения не только механические. Как пример можно привести ближайшую к нам звезду — наше Солнце, на поверхности которого наблюдаются появление и исчезновение темных пятен, глубокие физико-химические процессы, электромагнитные изменения, выделение тепла и света и связанные с этим быстрые движения громадных масс раскаленных газов. Хотя мы и не можем наблюдать поверхностей отдаленных звезд, но, изучая излучаемый ими свет, мы приходим к выводу, что и на их поверхностях происходят подобные же изменения, иногда даже еще более грандиозные. Самое свечение небесных тел представляет собой процесс особого рода, связанный с физико-химическими изменениями на поверхности и внутри светила. Таким образом, во вселенной всюду и вечно происходит движение в самом общем смысле этого слова. Астрономическая наука может в ряде случаев описать не толькб перемещения небесных тел в пространстве, но и внутренние процессы, происходящие в них. Законы, по которым происходят эти движения, известны уже настолько, что наука в состоянии рассчитать происходящие изменения как вперед, так и назад, выяснить историю развития небесных тел и, таким образом, опровергнуть все религиозные суеверия о сотворении мира.
      Размеры той части вселенной, которую мы можем изучать с помощью современных астрономических инструментов, чрезвычайно велики. Самые отдаленные из известных нам светил, так называемые спиральные туманности, находятся от нас на таком расстоянии, что свет от них (при скорости 300 тыс. км/сек) идет сотни миллионов лет. Мы знаем, что должны существовать и еще более отдаленные светила. Наблюдаемые нями небесные тела состоят из материи, находящейся в самых разнообразных формах, начиная от темных, несветящихся, облакообразных туманностей (рис. 5) и кончая материей, сгустившейся в газовые шары громадных размеров, — звезды, излучающие свет и тепло при температурах их поверхности от 3000° до 30 000°. Наше Солнце — лишь одна из звезд и притом сравнительно небольшая и не особенно горячая (температура поверхности Солнца около 6000°). Звезды находятся в различных стадиях своего развития, они возникают из холодных газовых еще более громадных шаров, сжимаются и разогреваются до наивысшей температуры, а затем постепенно гаснут. Эти процессы развития звезд происходят очень медленно — в течение биллионов лет. В различных местах вселенной звезды рассеяны не беспорядочно — они расположены таки что образуют спиралеобразные или шарообразные скопления. Такие звездные скопления вследствие большой отдаленности представляются рам маленькими светящимися объектами, различимыми лишь с помощью больших телескопов. Наше Солнце — одна из звезд подобного скопления, которое мы видим на небе, как светлую полосу Млечного Пути. В мощные телескопы возможно обнаружить, что полоса Млечного Пути состоит из громадного числа звезд, невооруженным же глазом мы видим лишь клочковатое, облакообразное строение, Млечного Пути. Есть основание предполагать, что звездное скопление — Млечный Путь — в действительности имеет спиралевидное строение, подобное наблюдаемым на небе спиральным туманностям, причем все звезды, входящие в него, движутся вокруг общего центра. Наша Земля является, спутникомодной из звезд — Солнца, вокруг которого обращаются светящие отраженным солнечным светом темные шары — планеты (рис. 6). Земля — одна из сравнительно небольших планет, обращающаяся вокруг Солнца на расстоянии около 150 млн. км. Самая дальняя из планет, известных в настоящее время — Плутон — обращается вокруг Солнца на расстоянии, в 40 раз большем, чем Земля. Около большинства планет обращаются меньшие тела, получившие название "спутников планет". Луна — спутник Земли, обращающийся вокруг нее на расстоянии 380 тысяч километров; это самое близкое к нам небесное тело.
      Кроме туманностей, звезд и планет, в небесном пространстве движутся скопления небольших телец. Когда эти скопления приближаются к Солнцу, из них начинают выделяться газы, которые под действием давления лучей Солнца, отбрасываются в противоположную от Солнца сторону. С Земли мы наблюдаем это как появление на небе сначала светлбго пятна, а потом удлиненного "хвостатого светила". Такие светила получили название "комет". Кометы движутся около Солнца по очень вытянутым траекториям. Траектории многих комет изучены настолько, что астрономы предвычисляют появление этих светил.
      Из этого краткого очерка видно, что наука уже многое изучила во вселенной. Происходящее с каждым годом расширение и углубление научных исследований дает нам уверенность, что явления, непонятные нам в настоящее время, будут нами разгаданы и поняты после более глубокого их изучения. Следует помнить, что та звездная вселенная, которую мы теперь изучаем, соответствует лишь одной из стадий ее эволюции.
      Систематическое изучение отдельных небесных объектов и прежде всего переход от видимых их движений к действительным дают нам возможность глубже и подробнее разобраться в изменениях, происходящих во вселенной.
     
      § 3. О наблюдениях. При изучении начал астрономии в школе необходимо, согласно указаниям учителя, производить наблюдения для того, чтобы лучше понять выводы науки и способы ее исследования. В этом учебнике одновременно с описанием явлений будурданы(в особых отделах) указания к выполнению наблюдений с простыми, иногда даже самодельными, инструментами.
      Некоторые наблюдения надо проводить в течение месяца или года, затрачивая на каждое из них немного времени. В отделах, где описываются наблюдения, указывается, сколько времени и как чдсто надо проводить каждое из них.
      Наблюдение надо тщательно и аккуратно записывать с указанием всякий раз даты (год, месяц, число) и времени (час, минута, а по возможности и секунда). Для записи всех наблюдений за год следует завести особую тетрадку, надписав на ее заглавной странице свою фамилию и место наблюдения (название места наблюдения и, если это известно, географическое положение, его).
     
      § 4. Небосвод и созвездия. На открытом месте, где бы ни велось наблюдение, небо, как ясное, так и облачное, представляется нам похожим на внутреннюю поверхность полушара, простирающуюся над головой и спускающуюся к краям наблюдаемого земного ландшафта. Земная поверхность нам представляется кругом, в середине которого мы находимся и края которого, как кажется на первый взгляд, сходятся с небом. Линия, по которой (как нам представляется) небо сходится с землей, называется линией видимого горизонта.
      В течение дня мы наблюдаем движение по небосводу Солнца, которое восходит в каком-нибудь месте линии горизонта, поднимается все выше, затем начинает опускаться и заходит* После захода Солнца голубой небосвод темнеет, и на немпоявляются звезды.
      Взаимное расположение звезд .на небе не меняется заметно в течение очёнь долгого времени, и поэтому еще с древних времен стали выделять на небе группы особенно ярких звезд и называть их созвездиями. Каждой группе звезд — созвездию — придавали наименование сказочных героев, зверей, а в некоторых случаях эти названия соответствовали тем житейским хозяйственным работам йли религиозным обрядам, с временем которых совпадала видимость на небе данного созвездия. Так получились созвездия со странными для нашего времени названиями Большой Медведицы, Ориона, Цефея, Весов и т. д.
      Одно время христианские церковники пытались переименовать созвездия и поместить на небе вместо зверей и легендарных героев христианских святых, но эта попытка потерпела полную неудачу.
      В настоящее время астрономия изучила расположение на небе очень многих звезд, даже тех, которые невидимы невооруженным глазом. Древнее название созвездий потеряло прежний смысл, и поэтому теперь созвездием называют определенный район неба, в пределах которого заключается группа звезд большей частью с каким-нибудь характерным взаимным расположением.
      На рисунке 7 изображено созвездие Большой Медведицы так, как его рисуют на современных звездных картах — точных рисунках неба с определенными условными обозначениями яркости звезд и границ созвездий. Условность обозначения яркости звезд заключается в том, что они изображаются (обычно на белом фоне) черными маленькими кружками, размеры которых тем больше, чем больше Яркость звезды. Границы созвездий изображаются сплошной или пунктирной линией.
     
      § 5. Яркости звезд. Для обозначения яркостей звезд установлена особая единица, получившая название "звездной величины*. Эта единица обозначает не размеры звезд, а определенную степень их яркости. При этом принято считать, что если яркость одной звезды составляет 0,4 яркости другой, то первая звезда на 1 звездную величину слабее, чем вторая. Таким образом, получается распределение звезд по яркости. Самые яркие звезды обозначаются как . звезды 1-й величины, яркость звезды 2-й величины составляет 0,4 яркости звезды 1-й величины, яркость звезды 3-й величины составляет 0,4 яркости звезды 2-й вели-, чины и т. д. Подробный разбор этого способа обозначений мы рассмотрим в астрофизической части учебника. Теперь же заметим, что самые слабые звезды, видимые невооруженным глазом, 5-й или 6-й величины (в зависимости от зоркости), т. е. почти в 100 раз слабее звезд 1-й величины.
     
      § 6. Число наблюдаемых звезд. Если вести наблюдения с биноклем или с астрономической трубой, то можно заметить еще более слабые звезды в тех местах, где они невооруженным глазом невидимы (рис. 7). Уже обыкновенный призматический бинокль дает возможность
      видеть звезды до 8-Й звездной величины, в сравнительно небольшую трубу видны звезды до 10 — 11-й звездной величины, а в современные гигантские телескопы можно усмотреть звезды до 18-й звездной величины.
      Невооруженным глазом на всем небе (на обоих его полушариях) можно насчитать около 6 — 7 тыс. звезд, в бинокль — около 45 тыс., в астрономических списках зарегистрировано около 1 миллиона звезд, яркости и положения которых на небе измерены.
      В следующих двух строках приведены числа звезд первых шести величин на всем небе:
      Звездные величины 1 2 3 4 5 6
      Число звезд 20 46 134 458 1476 4840
     
      § 7. Цвета звезд. Звезды отличаются между собой не только яркостью, но и цветом, малозаметным с первого взгляда, но точно измеренным для многих звезд с помощью специальных приборов и методов. У некоторых звезд этот цветочень заметен. Цвета звезд бывают: красный, оранжевый, желтый, белый и голубовато-белый.
     
      § 8. Обозначения звезд. Для обозначения звезд уже давно приняли способ именования их буквами греческого алфавита с добавлением названия созвездия, например а (альфа) Большой Медведицы. Когда в XVII в. составлялись первые подробйые карты неба, не было еще точных фотометров, предназначенных для измерения яркостей небесных светил. Тогда яркости звезд оценивали на-глаз, а звезды обозначали буквами греческого алфавита в порядке их яркости. Наиболее яркие звезды получили и особые названия.
      Таким образом, самое буквенное обозначение показывает приближенно последовательность яркости звезд в пределах данного созвездия, но лишь приближенно, так как современные точные измерения яркости дают иногда несколько иной порядок.
      В настоящее время это обозначение буквами сохранено по международному соглашению для ярких звезд, вообще же принято обозначать звезду номером того "каталога" звезд, в котором отмечены ее положение на небе и ее яркость.
     
      § 9. Суточное вращение звездного неба. Точное изображение звездного неба может быть сделано на шаре (небесном глобусе, см. § 14).
      Но шаровая поверхность не принадлежит к числу поверхностей, развертывающихся на плоскости, поэтому для изображения звездного неба на плоскости приходится применять искусственные способы (картографические проекции), как и в географии.
      Один из таких способов применен при составлении рисунка где изображена южная половина небосвода с главнейшими созвездиями; Этот рисунок изображает Вид звездного неба осенью в 10 часов вечера, а рисунок 2 — на 1 час позже (в 11 часов вечера). Сопоставив оба этц рисунка, а также свои наблюдения (набл. 1, 2, 3), вы можете сделать следующий вывод: в южной половине небосвода все созвездия передвигаются с течением времени слева направо (с востока на запад), поднимаясь в восточной части и опускаясь в западной, подобно тому, как движется по небу днем Солнце. Подобная же картина наблюдается в северной половине небосвода, где легко проследить, что созвездия обращаются вокруг одной его точки. Это обращение удобнее всего заметить по Большой Медведице, если есть возможность пронаблюдать ее положение на небе в начале и в середине ночи (рис. 8). Общее движение звездного неба, при котором взаимное расположение созвездий не меняется, может быть названо вращением вокруг некоторой точки. На рисунке 9 изображена фотография северной части небосвода, снятая при неподвижном аппарате. Изображения звезд на этом рисунке получились в виде дуг различной толщины. Из того, что все дуги стягивают равные углы и принадлежат концентрическим окружностям, вытекает, что здесь имеет место обращение звезд вокруг одной точки. Эту точку на фотографии вы. можете найти обыкновенным геометрическим построением (центр круга по его дуге). Ее называют полюсом мира.
      Северный полюс мира находится в созвездии Малой Медведицы, вблизи звезды, обозначаемой на звездных картах греческой буквой а. Поэтому а Малой Медведицы называют еще и Полярной звездой (рис. 10).
      Точку горизонта, которая приходится под Полярной звездой, условлено называть северной точкой горизонта и обозначать буквой N ("норд" — север).
      Все небо вращается как одно целое; светила поднимаются — восходят — в одной стороне горизонта и заходят в другой; то же происходит и с Солнцем днем. Отсюда мы можем заключить, что звездное небо представляется нам подобным громадному шару, в центре которого мы находимся и одна половина которого для нас видима, другая же скрыта от наших глаз под горизонтом. Этот шар вращается вокруг некоторой воображаемой оси с востока на запад, и поэтому мы наблюдаем восход и заход светил и их движение над горизонтом.
      Чтобы получить наглядное представление о том, что мы наблюдаем, возьмите шарообразную колбу, наполните ее наполовину водой и, хорошо закупорив отверстие, переверните, а на внешней поверхности колбы нанесите точки, изображающие звезды (рис. И). Если вы будете вращать колбу вокруг оси, проходящей по середине горлышка, то, представив себе, что вы находитесь внутри колбы, получите модель вращения небесного свода (в этой модели плоскость воды изображает плоскость горизонта). Нечто в этом же роде можете получить, если, наметив мелом на внутренней поверхности раскрытого зонтика звезды, станете вращать его вокруг ручки, как оси, а сами будете находиться под зонтиком и наблюдать движения отмеченных на зонтике точек.
      Обратимся снова к нашей модели — колбе, представив себе, что она увеличилась в размерах и превратилась в огромный шар — небосвод, имеющий ту же воображаемую ось вращения, вокруг которой мы вращали колбу, и что мы сами находимся внутри него в точке С (рис. 12).
      Ось вращения этого шара условились называть осью мира, а точки ее пересечения с небесным шаром, — полюсами мира. Ось мира наклонена к горизонту, и поэтому светила поднимаются выше всего в южной стороне небосвода.
      Так как взаимное расположение созвездий не зависит от положения их над горизонтом, то ознакомление с созвездиями легко провести независимо от их положения над горизонтом. ,На» рисунке 13 изображена на плоскости половина звездного неба в виде круга, в центре которого находится Полярная звезда. На этом круге изображены очертания главнейших созвездий и линиями со стрелкой показано, как по созвездиям Большой и Малой Медведиц можно отыскать другие созвездия (набл. 5).
      Сопоставив дневное движение Солнца и ночное движение светил по отношению к горизонту, можно притти к выводу, что они совершенно одинаковы по характеру. Солнце есть одно из светил на небе и его дневное движение объясняется общим вращением звездного неба. Невидимость звезд днем объясняется лишь освещением земной атмосферы Солнцем, превышающим яркость звезд. Наблюдение появления звезд в сумерки подтверждает это; подтверждение того же самого дают наблюдения в астрономические трубы, при помощи которых мы можем видеть звезды и днем.
      При подъеме на большие высоты на стратостатах дневное небо представляется темносиним, и на нем бывают видны звезды.
     
      § 10. Угловые измерения. Не имея непосредственного представления о расстояниях до светил, мы невольно относим их все на одинаковое расстояние от нашего глаза; поэтому все светила представляются нам на внутренней поверхности шара, в центре которого находится наш глаз. Радиус этого шара может быть какой угодно (см. § 14).
      На поверхности шара через любые две точки мы можем провести дугу окружности и выразить ее длину в градусах и их частях. Проведя мысленно из глаза наблюдателя две прямые (радиусы), проходящие через две точки на поверхности шара, мы можем измерить центральный угол, соответствующий дуге между этими точками на шаре.
      На небе мы можем вести измерения только в угловой мере. Если мы смотрим последовательно на одну, а потом на другую звезду, то между направлениями на эти звезды получается некоторый угол, называемый угловым расстоянием. Угловое расстояние измеряют в угловой же мере, построив прибор, дающий возможность измерять угол между двумя направлениями.
     
      Простейший вид такого прибора — транспортир. Держа около глаза центр транспортира, повернем его так, чтобы его плоскость проходила через две точки, угловое расстояние между которыми мы измеряем. Заметив деления, по направлению которых мы видим эти точки, и вычислив разность между отсчетами, получим интересующее нас угловое расстояние. Угловое расстояние мы можем мерить между двумя любыми точками: между двумя звездами на небе, между двумя удаленными предметами, между краями какого-нибудь светила или предмета. Если светило на небе представляется нам кружком, то угловое расстояние между двумя противоположными концами его диаметра называют угловым диаметром светила; например видимый угловой диаметр Солнца (...)
      Измерение угловых расстояний можно выполнять с различной степенью точности. Грубую, приближенную оценку угловых расстояний можно сделать, пользуясь расставленными большим и указательным пальцами вытянутой правой руки. Угол, под которым мы видим расстояние между концами пальцев вытянутой руки, для большинства людей близок к 16° (рис. 14).
     
      § 11. Секстан. Для точного измерения угловых расстояний сконструированы специальные астрономические инструменты. Все они в качестве основной части имеют точно разделенные круги. Одним из таких инструментов является секстан, основная часть которого представляет собой сектор круга с делениями, нанесенными на его дуге EF (рис. 15).