shpory_po_astronomii

Ответы на экзаменационные вопросы.

1. Предмет и задачи астрономии. Разделы астрономии. Основные этапы развития астрономии.Общее представление о масштабах и структуре Вселенной и физическом состоянии материи.

Предмет и задачи астрономии:

Астрономия – наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и образованных ими систем. Астрономия исследует Солнце, звѐзды, планеты и их спутники, кометы, метеоры, туманности, звѐздные системы, вещество, заполняющее пространство между звѐздами и планетами.

Основные задачи:

1.Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы.

2.Изучение строения небесных тел, исследование химического состава и физических свойств вещества в них.

3.Решение проблемы происхождения и развития отдельных небесных тел и образуемых ими систем.

Разделы астрономии

Принято выделять три основных раздела:

1.астрометрию (изучает положение и движение небесных тел и Земли.У астрометрии две важные цели: 1.Установление системы небесных координат; 2.Получение параметров, наиболее полно характеризующих закономерности движения небесных тел и вращение Земли);

2.небесную механику (Небесная механика изучает движение небесных тел под действием тяготения,

разрабатывает методы определения их орбит, позволяет рассчитать координаты на дальнейшее время

(эфемериды), рассматривает движение и устойчивость систем естественных и искусственных небесных тел. Раздел небесной механики, связанный с определением орбит и расчѐтом эфемерид,

называют теоретической астрономией); 3. астрофизику (Астрофизика изучает происхождение, строение, химический состав, физические

свойства и эволюцию как отдельных тел, так и их систем, вплоть до всей Вселенной в целом.

Астрофизика подразделяется на практическую и теоретическую).

Основные этапы развития астрономии:

3 тыс. лет до н.э. (Египет) – по наблюдениям за появлением Сириуса довольно точно была определена продолжительность тропического года.

2 тыс. лет до н.э. (Китай) – видимые движения Солнца и Луны были изучены до такой степени, что можно было предсказывать солнечные и лунные затмения.

II век до н.э., Гиппарх (Древняя Греция, Родос) составил первый каталог звѐзд и создалгеометрическую теорию эпициклов, которая легла воснову геоцентрической системы мира.

II век н.э., Птолемей (Древняя Греция, Александрия) –автор труда «Мегале Синтаксис», или

«Альмагест».

В средние века астрономия развивалась в основном в Средней Азии.

Эпоха великих географических открытий, промышленная революция и Реформация подтолкнули развитие астрономической науки в Европе.

Николай Коперник в труде «Об обращениях небесных сфер» (1543) разработал гелиоцентрическую систему мира.

Иоганн Кеплер установил законы движения планет (1609 – 1618).

Галилео Галилей одним из первых использовал телескоп для астрономических целей (1609),

открыл четыре спутника Юпитера (1610).

Исаак Ньютон установил основные законы механики, а также закон всемирного тяготения

(1686).

XVII – XIX века – открытия новых планет, спутников, астероидов.

Середина XIX века и далее – спектральный анализ и фотографирование (в видимом диапазоне).

XX век – астрофизика, СТО, ОТО, современная космология.

С 1940-х годов – радиоастрономия.

1957-й – первый искусственный спутник.

1961-й – первый полѐт человека в космос.

1969-й – высадка людей на Луну.

1970-е – 1990-е – исследования Марса, Венеры, далѐких планет.

1990-е – 2000-е – космический телескоп им. Хаббла.(Hubble Space Telescope), открытие

планет у других звѐзд.

Общее представление о масштабах и структуре Вселенной и физическом состоянии вещества.

Земля → Солнечная система → Галактика Млечный Путь (150 млрд. звѐзд) → Местная группа галактик (более 50 галактик) → Местное сверхскопление галактик (около 30 тыс. галактик). В общем случае: Звѐздная система → Скопление звѐзд (10 – 100 тыс. звѐзд) → Галактика (1 млрд. – 1 трлн.

звѐзд) → Местная группа галактик → Местное скопление галактик (1 тыс. – 10 тыс. галактик) →

Местное сверхскопление галактик. Скопления галактик располагаются вдоль границ огромных ячеек. С Земли невооружѐнным взглядом можно наблюдать объекты, в основном принадлежащие нашей Галактике.

Среднее расстояние от Земли до Солнца – 150 млн. км, или 1 а.е.

Орбита Нептуна ~ 30 а.е.

Внешняя граница облака Оорта (граница Солнечной системы) ~ 1 световой год

Расстояние до ближайшей (после Солнца) к нам звезды (альфа Центавра C, или Проксима) – 1.3 пк (парсека), 1 пк ≈ 3.26 световых года.

Наша Галактика состоит из более чем 150 млрд. звѐзд и представляет собой«диск» диаметром

100 тысяч световых лет и толщиной 10 тысяч световыхлет.

Ближайшая галактика – карликовая галактика в созвездии Большого Пса(CMa Dwarf),

состоящая всего из 1 млрд. звѐзд, находится на расстоянии25 тысяч световых лет от Солнечной системы.

Ближайшая сверхгигантская галактика – Туманность Андромеды. Содержитоколо 1 трлн.

звѐзд и находится на расстоянии 2.54 млн. световых лет отСолнечной системы.

Самая удалѐнная галактика – IOK-1 – находится в созвездии ВолосыВероники на расстоянии

12.88 млрд. световых лет. Сформировалась через750 млн. лет после Большого взрыва.

Наблюдаемая часть материи Вселенной в основном сосредоточена в звѐздах и межзвѐздной среде.

Часть материи пребывает в форме поля (гравитационного, электромагнитного). По современным данным, только около 4 % Вселенной составляет обычная барионная (наблюдаемая) материя. Около

22 % приходится на тѐмную материю, небарионная компонента которой не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействиях. И ещѐ 74 % составляет «тѐмная энергия».

Среднее расстояние от Земли до Луны ~ 384 400 км.

Среднее расстояние между Солнцем и Землѐй ~ 150 000 000 км = 1 а. е.

Среднее расстояние между Солнцем и Сатурном ~ 9,5 а. е.

Среднее расстояние между Солнцем и Нептуном ~ 30 а. е.

Капелла, или альфа Возничего, одна из самых ярких звѐзд на небе, расстояние – 42 св. года.

2. Небесная сфера. Основные плоскости, линии и точки небесной сферы.

Светила, их классификация, видимые движения. Горизонтальная и

экваториальные системы координат.

Небесная сфера.

Под небесной сферой принято понимать сферу произвольного радиуса, центр которой находится в точке наблюдения, и на поверхность этой сферы проецируются все окружающие нас небесные тела или светила. Вращение небесной сферы для наблюдателя, находящегося на поверхности Земли,

воспроизводит суточное движение светил на небе.

Основные плоскости, линии и точки небесной сферы.

ZOZ' – отвесная (вертикальная) линия, SWNE – истинный

(математический) горизонт, aMa' – альмукантарат, ZMZ' – круг высоты

(вертикальный круг), или вертикал

POP' – ось вращения небесной сферы (ось мира), P – северный полюс мира, P' – южный полюс мира,угол PON = θ (широта места наблюдения), QWQ'E – небесный экватор, bMb' – суточная параллель,

PMP' – круг склонения, PZQSP'Z'Q'N – небесный меридиан, NOS –

полуденная линия.

Светила, их классификация, видимые движения Звѐзды:

• Невооружѐнным взглядом в ясную безлунную ночь в северном полушарии видно около 3 000 звѐзд,

т. е. всего на небесной сфере видно 6 000 звѐзд.

•Взаимное положение звѐзд друг относительно друга изменяется крайне медленно, и без специальных приборов такое изменение наблюдать не возможно. Т. о., суточное движение звезды по небесной сфере изо дня в день (из ночи в ночь) одно и то же.

•Звѐзды принято объединять в созвездия. В настоящее время выделяют 88 созвездий.

•Самая яркая звезда в созвездии обознается, как правило, α, далее β, γ, δ и т.д. Для менее ярких звѐзд используется числовая нумерация. Около 130 самых ярких звѐзд имеют собственные названия:

Сириус, Капелла, Вега и др.

На восточной стороне горизонта звѐзды восходят, затем поднимаются до некоторой максимальной высоты над горизонтом, после чего опускаются и заходят на западной стороне горизонта. Каждая

звезда всегда восходит в одной и той же точке восточной стороны и заходит всегда в одной и той же точке западной.

Поскольку радиус небесной сферы произволен, положение светила на небесной сфере однозначно определяется двумя угловыми координатами, если задана основная плоскость и начало отсчѐта. В

сферической астрономии используются следующие системы небесных координат:

1.Горизонтальная

2.1-я экваториальная

3.2-я экваториальная

4.Эклиптическая

Горизонтальная система координат.(нарисовать рисунок).

Основная плоскость – плоскость математического горизонта.

1) угол mOM = h (высота), 0 ≤ h ≤ 900; –900 ≤ h ≤ 0, или угол ZOM = z

(зенитноерасстояние), 0 ≤ z ≤ 1800, z + h = 900. 2) уголSOm = A (азимут), 0 ≤ A ≤ 3600.

1-я экваториальная система координат.(нарисовать рисунок).

Основная плоскость – плоскость небесного экватора.

1)угол mOM = δ (склонение), 0 ≤ δ ≤ 900, –900≤ δ ≤ 0, или уголPOM = p (полюсное расстояние), 0 ≤ p ≤ 1800, p + δ = 900.

2)угол QOm = t (часовой угол), 0 ≤ t ≤ 3600 или 0h ≤ t ≤ 24h.

• Все горизонтальные координаты (h, z, A) и часовой угол t первой экваториальной СК непрерывно изменяются в процессе суточного

вращения небесной сферы. Склонение δ не изменяется.

2-я экваториальная система координат.(нарисовать рисунок).

Основная плоскость – плоскость небесного экватора.

1)угол mOM = δ (склонение), 0 ≤ δ ≤ 900, –900≤ δ ≤ 0, или угол POM = p (полюсное расстояние) 0 ≤ p ≤ 1800, p + δ = 900.

2)угол γOm = α (прямое восхождение), 0 ≤ α ≤ 3600, или 0h ≤ α ≤ 24h.

Системы небесных координат:

•Горизонтальная СК используется для определения направления на светило относительно земных объектов.

•1-я экваториальная СК используется преимущественно при определении точного времени.

•2-я экваториальная СК является общепринятой в астрометрии.

3. Параллактический треугольник и преобразование небесных координат. Восход и заход светил. Верхняя и нижняя кульминации. Моменты времени восхода и захода светил и их азимуты. Сумерки. Белые ночи.

Параллактический треугольник.

Параллактическим называется сферический треугольник, образованный пересечением небесного меридиана (дуга PZ), вертикала (дуга ZM) и часовым кругом (дуга PM). Этот треугольник связывает координаты ЭСК и ГСК:

1)Дуга Qm = t, т.е. угол ZPM = t.

2)Сторона PM = 900 – δ, т.к. mM = δ.

3)Сторона ZM = z

4)угол PZM = 1800 – A, т.к. дуга Sm' = A

5) Сторона PZ = 900 – θ, т.к. угол PON = θ, угол PMZ = q называется параллактическим углом.

Преобразования координат (следует из рисунка про параллактический треугольника)

Используя формулы сферической тригонометрии, для параллактического треугольника можно получить две системы соотношений, связывающих ГСК и ЭСК:

sin sin cos z cos sin z cos A,
	(1).
cos sin t sin z sin A,
cos cos t cos cos z sin sin z cos A
cos z sin sin cos cos cos t,
	(2).
sin z sin A cos sin t,
	cos t
sin z cos A cos sin sin cos

Восход и заход светил.

Вследствие суточного вращения небесной сферы все светила описывают круги, плоскости которых параллельны плоскости небесного экватора, т.е. движутся по суточным параллелям. В

зависимости от географической широты места наблюдения θ и

склонения светила δ суточные параллели либо пересекают математический горизонт в двух точках, либо целиком располагаются над ним, либо под ним. Первые светила – восходящие и заходящие. Вторые – незаходящие. Третьи –

невосходящие.

Незаходящие светила это светила, у которых в данной местности с широтой θ высота в нижней кульминации больше 0° (Н≥0° или z (зенитное расстояние)≤90°), невосходящие светила это такие светила, у которых в данной местности с широтой θ высота верхней кульминации ≤ 0° или зенитное

расстояние ≥90°. Если склонение δ ≥ (90°- θ), то светило не заходит, если склонение δ ≤ (90°- θ), то светила не восходит в течение суток над горизонтом на данной широте θ в северном полушарии Земли. (θ больше 0). Все светила со склонениями δ в пределах от –(90°- θ)… (90°- θ) восходят и заходят в данной местности.

Точка пересечения светилом горизонта при движении снизу вверх называется точкой восхода,

сверху вниз – захода.

В случае δ = 900 – φ (для северного полушария) суточная параллель касается горизонта в точке севера N. Условие δ< 900 – φ определяет восходящие и заходящие светила. С учѐтом южного полушария: |δ| < 900 – |φ|.

Из первой формулы системы (2):

				cos t	cos z sin sin
					cos cos
	Пренебрегая рефракцией и суточным параллаксом для светила на горизонте (z = 900):
				cost= -tgφtgδ
	Два решения: tзах= t и tвосх= –t.
	Аналогично		из первой формулы системы (1) находятся азимуты точек восхода и захода:
	cos A	sin		, Aзах= A и Aвосх= 3600– A.
		cos

Кульминации.(нарисовать рисунок).

Суточная параллель светила пересекает небесный меридиан в двух точках. Явление пересечения светилом небесного горизонта называется кульминацией светила. В верхней кульминации светило имеет максимальную высоту над горизонтом. В нижней кульминации – минимальную. Верхняя кульминация может происходить к югу и к северу от зенита.

hв.к. 900 ,

hн.к. (900 ) ,или hн.к. 900 .

Сумерки (нарисовать рисунок)

Излучение Солнца рассеивается в атмосфере, и поэтому даже после полного захода Солнца (либо перед его восходом наблюдаются сумерки – вечерние (или утренние).

Вечерние гражданские сумерки продолжаются до тех пор,

пока высота центра Солнца не станет равной hсолнца = –6º.

Угловой диаметр Солнца d солнца = 32'

Утренние гражданские сумерки начинаются перед восходом Солнца, когда высота его центра hсолнца = –6º.

Навигационные (вечерние и утренние) сумерки длятся в течение времени, пока

–6º ≤ hсолнца < –12º.

За начало или окончание астрономических (вечерних и утренних) сумерек принимается тот момент,

когда высота центра Солнца hсолнца= –18º.

Белые ночи

На географической широте φ = 60034' в день летнего солнцестояния, когда δсолнца = +23026' высота Солнца hсолнца в нижней кульминации (т.е. в полночь) в соответствии с формулой hН.К.= φ + δ – 900

будет равна –60. Т.о., на такой широте в такой день окончание вечерних сумерек совпадѐт с началом утренних, т.е. гражданские сумерки длятся всю ночь, которая называется белой. На широте Минска

(θ = 53º55') «гражданские» белые ночи не наступают. Условия для наступления «навигационной» белой ночи практически выполняются в ночь летнего солнцестояния.

4.Эклиптика. Эклиптическая система координат. Движение Солнца по эклиптике. Суточное движение Солнца. Изменение со временем положений небесного экватора, эклиптики и точек весеннего и осеннего равноденствий.Прецессионное движение северного полюса мира.

Эклиптика

Эклиптика – большой круг небесной сферы, по которому перемещается солнце в течение года среди звезд с запада на восток. Ось эклиптики перпендикулярна плоскости эклиптики. Ось эклиптики пересекается с поверхностью небесной сферой в северном (в северном полушарии) и южном (в

южном полушарии) полюсах эклиптики. Эклиптика пересекается с небесным экватором в 2х точках:

в точке весеннего и осеннего равноденствий. Точки эклиптики, отстоящие на 90° от точек равноденствия, называются точкой летнего (в северном полушарии) и зимнего (в южном полушарии)

солнцестояния.

Измерения высоты Солнца в полдень (т.е. в момент его верхней кульминации) на одной и той же географической широте показали, что склонение Солнца δсолнца в течение года изменяется в пределах от +23026' до –23026', два раза проходя через нуль. Прямое восхождение Солнца αсолнца на протяжении года также постоянно изменяется от 0 до 3600 или от 0 до 24h. Рассматривая непрерывное изменение обеих координат Солнца, можно установить, что оно перемещается среди звѐзд с запада на восток по большому кругу небесной сферы, который называется эклиптикой.

Название эклиптика связано с затмениями (eclipse) Луны или Солнца, т.к. они происходят, когда Луна в день новолуния или полнолуния пересекает круг эклиптики.

Эклиптическая СК.(нарисовать рисунок)

Основная плоскость – плоскость эклиптики εγε'Ω. Плоскость эклиптики наклонена к плоскости небесного меридиана под углом ε = 23026'. ПП' – ось эклиптики,ε – точка летнего солнцестояния,ε' – точка зимнего солнцестояния.

1)γm = λ (эклиптическаядолгота);

2)mM = β (эклиптическаяширота).

Изменение экваториальных координат Солнца при его движении по эклиптике.

20-21 марта Солнце находится в точке γ, его склонение

δсолнца = 0 и прямое восхождение αсолнца = 0. В этот день

(весеннего равноденствия) Солнце восходит точно в точке E и заходит в точке W. Максимальная высота центра Солнца над горизонтом в полдень этого дня (верхняя кульминация): hс= 900– θ + δс=

900– θ.Затем Солнце сдвинется поэклиптике ближе к точке ε, т.е. δс> 0 и αс> 0.

21-22 июня Солнце находится вточке ε, его склонениемаксимально δсолнца= 23026', апрямое восхождение αсолнца= 6h. В полдень этого дня (летнегосолнцестояния) Солнцеподнимается на

максимальнуювысоту над горизонтом: hсолнца= 900– θ + 23026'. Т.о., в средних широтах СолнцеНИКОГДА не бывает в зенитеШирота Минска θ = 53055'. Затем Солнце сдвинется поэклиптике ближе к точке Ω, т.е. δсолнца начнѐт уменьшаться.

Около 23 сентября Солнце придѐт в точку Ω, его склонение δсолнца = 0, прямое восхождение

αсолнца = 12h. Этот день (начало астрономической осени) называется днѐм осеннего равноденствия.

22-23 декабря Солнце окажется в точке ε', его склонение минимально δсолнца= – 23026', а прямое восхождение αсолнца = 18h. Максимальная высота над горизонтом: hсолнца= 900– θ – 23026'.

Изменение экваториальных координат Солнца в течение года происходит неравномерно. Склонение изменяется быстрее всего при движении Солнца вблизи точек равноденствий, и медленнее всего – вблизи точек солнцестояний. Прямое восхождение, наоборот, медленнее изменяется вблизи точек равноденствий, и быстрее – вблизи точек солнцестояний.

Видимое движение Солнца по эклиптике связано с действительным движением Земли по своей орбите вокруг Солнца, а также с тем фактом, что ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости еѐ орбиты, а составляет угол ε = 23º26'. Если бы ε = 0º, то на любой широте в любой день года деньбыл бы равен ночи (без учѐта рефракции и размера Солнца). Полярные дни, длящиеся от 24hдо полугода исоответствующие ночи, наблюдаются за полярнымикругами, широты которых определяются условиями:θ = ±(90º – ε) = ± 66º34'.

Изменение со временем положений небесного экватора, эклиптики и точек весеннего и осеннего равноденствий.

Положение оси мира и, следовательно, плоскости небесного экватора, а также точек γ и Ω не постоянно, а периодически изменяется. Прецессия – предварение [равноденствий] (лат. praecessio aequinoctiorum). Вследствие прецессии земной оси ось мира описывает конус вокруг оси эклиптики с углом раствора ~23,50 за 26 000 лет. Вследствие возмущающего действия планет кривые,

описываемые полюсами мира, не замыкаются, а стягиваются в спираль.

Т.к. и плоскость небесного экватора, и плоскость эклиптики медленно изменяют свое положение в пространстве, то точки их пересечения (γ и Ω) медленно перемещаются к западу. Скорость перемещения (общая годовая прецессия в эклиптике) за год: L = 3600/26 000 = 50,26''. Общая годовая прецессия в экваторе: m = Lcosε = 46,11''. В начале нашей эры точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Овна, от которого и получила своѐ обозначение (γ), а точка осеннего равноденствия – в созвездии Весов (Ω). С тех пор точка γ переместилась в созвездие Рыб, а точка Ω –

в созвездие Девы, но их обозначения остались прежними.