§ 60 Как исследуют вселенную

А может быть, той звезды уже нет?

Быть может, она, от старости,

Давно из орбиты выпала,

Как драгоценный самоцвет

Из оправы перстня?

Но её холодный свет,

Свежий и холодящий чудесный свет

Вот здесь, на траве, лежит.

И долго, ещё долго будет жить,

Передвигаясь с куста на куст,

Перебираясь Со лба на лоб, —

И к другим перейдёт,

Как песня.

Н. Матвеева

Телескоп Галилея.

Раньше мы уже говорили о том, что в начале XVII в. Галилей, значительно усовершенствовав существовавшую в то время зрительную трубу, направил её на небо. Один из друзей Галилея дал новому прибору название телескоп, что значит «далеко смотрящий».

Рис. 160. Страница рукописи Галилея с записью наблюдений за спутниками Юпитера

С 1610 г. Галилей начал регулярно наблюдать за небесными светилами, используя телескоп, увеличение которого ему удалось за короткое время повысить с 3 до 32 раз. Эти наблюдения позволили узнать много нового о внеземном мире.

Так, Галилей обнаружил, что Луна, как и Земля, имеет сложный рельеф и покрыта горами и кратерами. Он открыл четыре спутника Юпитера (рис. 160), обнаружил пятна на Солнце, показал, что оно вращается вокруг своей оси, и вычислил период этого обращения. Телескоп Галилея был устроен довольно просто. Для того чтобы исследовать удалённые от Земли участки Вселенной, пришлось изобрести новые приборы и новые методы исследования. Первые телескопы позволяли увидеть в космосе только те объекты, которые испускают или отражают электромагнитное излучение в видимой части спектра, потому что излучение других диапазонов поглощается атмосферой Земли.

Радиотелескоп.

В 1931 г. американский астроном Карл Янский обнаружил короткие радиоволны, идущие от центра галактики. На основе его разработок в 1937 г. был создан первый радиотелескоп, что и знаменовало появление новой науки – радиоастрономии. После Второй мировой войны конструкция радиотелескопов была значительно усовершенствована (рис. 161).

Рис. 161. Современный радиотелескоп

Радиотелескоп состоит из антенны, которая улавливает приходящие из космоса волны, усилителя сигналов и устройства, позволяющего преобразовывать невидимые радиоволны в излучение видимой области. Так как мощность доходящих до Земли радиоволн очень мала, антенна должна быть очень большой, а усилитель – очень чувствительным. В современных радиотелескопах площади улавливающих антенн составляют десятки тысяч метров.

Для того чтобы по возможности уменьшить поглощение световых волн атмосферой, обсерватории, в которых проводились наблюдения за небесными телами, старались устроить как можно выше в горах. Но наилучшие условия для подобных исследований появились после создания искусственных спутников Земли. Телескопы, установленные на спутниках, позволяют избежать поглощения атмосферой электромагнитного излучения, так как находятся за пределами этой атмосферы. Одним из наиболее известных таких телескопов является аппарат «Хаббл», названный в честь известного астронома (рис. 162). «Хаббл» находится на орбите с 1990 г. С его помощью сделано множество интересных астрономических наблюдений и измерений (рис. 163). Сложная аппаратура «Хаббла» нуждается в периодическом осмотре и ремонте, для чего требуется время от времени направлять на космическую станцию экспедиции.

Космические лучи.

Различные объекты Вселенной испускают не только свет, инфракрасное излучение и радиоволны (рис. 164), но и электромагнитное излучение с более высокой частотой, а также потоки элементарных частиц, которые называют космическими лучами. Эти лучи состоят в основном из протонов и ядер гелия (альфа– частиц). Они были открыты в начале XX в., когда над поверхностью Земли было обнаружено радиоактивное излучение.

Рис. 162. Телескопы, установленные на спутниках, позволяют получать наилучшие результаты: А – космический телескоп «Хаббл»; Б – Эдвин Хаббл, американский астроном (1889–1953)

Вначале предположили, что это излучение является излучением самой Земли, но вскоре обнаружили, что его интенсивность не убывает, а возрастает с увеличением расстояния от земной поверхности. Таким образом, космические лучи приходят на Землю извне. Они могут возникать как на объектах Солнечной системы, так и значительно дальше: в звёздах нашей галактики и даже за её пределами. До создания современных приборов космические лучи были основным материалом для изучения элементарных частиц, некоторые из которых были впервые обнаружены именно в составе космических лучей.

Рис. 163. Снимки туманностей, полученные с помощью телескопа Хаббла: А – Кошачий Глаз; Б – Омега; В – Песочные Часы; Г – Бабочка

Рис. 164. Ночное небо, увиденное оптическим (А), инфракрасным телескопом (Б) и радиотелескопом (В)

Использование спектрального анализа.

При исследовании планет, звёзд и других космических объектов очень важную роль играет использование спектрального анализа (§ 42). Исследуя спектры испускания и поглощения различных небесных тел, можно с большой точностью определить их химический состав, а также температуру. В предыдущих главах мы говорили о том, что при увеличении температуры предмета его излучение смещается в сторону коротковолновой части спектра. Поэтому звёзды с самой низкой температурой мы видим как красные, а наиболее горячие – как голубые.

Единицы измерения Вселенной.

Многолетние исследования позволили человечеству составить представление о строении Вселенной и находящихся в ней объектах и установить место, которое занимает в ней наша Земля. Огромные, по сравнению с привычными для нас, расстояния, разделяющие звёзды и галактики, а также скорости движения многих космических объектов привели к убеждению, что Вселенная в целом обладает качествами, с которыми нам не приходится иметь дело в повседневной жизни. Поэтому этот мир получил особое название мегамира, т. е. огромного мира.

Для того чтобы оценить размеры этого мира, сложно использовать обычные единицы измерения, например километры. Мы получим числа, выраженные десятью в такой огромной степени, что воспринимать и сравнивать их будет чрезвычайно сложно. В качестве единиц расстояния в мегамире для относительно небольших расстояний применяют астрономическую единицу, а для совсем огромных – световой год. Астрономическая единица – это среднее расстояние от Земли до Солнца, она составляет 149 600 000 км. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит в течение года. Зная, что скорость света равна 300 000 км/с, а год насчитывает 31 536 000 с, нетрудно подсчитать число километров, которое укладывается в один световой год: оно составляет 9,46 10¹² км, т. е. 9 500 000 000 000 км! Иногда для измерения астрономических расстояний используют единицу, называемую парсек, она примерно в три раза больше светового года и равна 3,1 • 10¹³ км.

Существующие данные о размере Вселенной свидетельствуют о том, что мы имеем дело с действительно огромным миром, совершенно несопоставимым с привычными для нас масштабами. Самые мощные из существующих телескопов способны разглядеть объекты, находящиеся от нас на расстоянии 28 млрд световых лет, т. е. 10²³ км. Это означает, что диаметр видимой Вселенной составляет около 60 млрд световых лет. Согласно недавно проведённым расчётам, диаметр Вселенной ещё больше и может доходить до 80 млрд световых лет. Такие размеры представить себе просто невозможно. Если бы диаметр Вселенной был равен диаметру земного шара, то величина Солнечной системы соответствовала бы размерам бактерии.

Тем не менее, несмотря на относительно малые размеры, Солнечная система и особенно Земля имеют огромное значение для человечества, поскольку, по выражению К. Э. Циолковского, являются его колыбелью.

Проверьте свои знания

1. Какие астрономические открытия были сделаны Галилеем?

2. Почему лучшим местом расположения обсерваторий является высокогорье?

3. Из чего состоят космические лучи?

4. С помощью какого научного метода можно определить температуру и химический состав небесных тел?

Задания

1. Расстояние от Земли до Сириуса равно 8,6 светового года. Сколько километров отделяет нас от Сириуса? Выразите расстояние от нашей планеты до Сириуса в астрономических единицах и парсеках.

2. Подготовьте сообщение или презентацию о предмете изучения и развитии науки радиоастрономии.