Средства изучения объектов вселенной

Билет № 24. Средства наблюдения объектов Вселенной.

Все сведения о космических объектах приносят на Землю различные излучения – электромагнитные волны и потоки частиц. В XX в. родилась радиоволновая астрономия, которую дополняет нейтринная астрономия.

Первым вестником далеких миров был световой луч – электромагнитные волны в видимой части спектра излучения. Это не случайно: световое излучение человек воспринимает непосредственно – при помощи глаз. Для обнаружения светового излучения небесных тел применяются специальные приборы – телескопы. Иногда не совсем правильно говорят, что телескоп увеличивает звезды или приближает их. В действительности же телескоп – устройство для собирания света с помощью объектива – двояковыпуклой линзы или вогнутого зеркала. Простейшая труба Галилея собирала в 144 раза больше света, чем глаз человека. А сооруженный в 1974 г. в нашей стране на Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукской, один из крупнейших в мире телескоп с поперечником зеркала в 6 м собирает света в миллион с лишним раз больше, чем глаз. Это очень сложное уникальное устройство. Состоит оно из деталей более 25 тыс. наименований. Труба телескопа длиной 24 м весит около 280 т. Телескоп оснащен разнообразной высокочувствительной аппаратурой и комплексом электронных вычислительных систем для наблюдений в соответствии с заданной программой и для обработки полученных результатов. В последнее время вступили в строй телескопы с диаметрами зеркал 8, 10 и 11 м. Современные телескопы снабжены спектрографами, с помощью которых изучается спектр излучения, а по нему определяется химический состав и температура источника излучения.

Как уже отмечалось, свет – не единственный вестник космических миров. С появлением высокочувствительной радиоаппаратуры открылась возможность исследовать космическое излучение. Радионаблюдения Вселенной не зависят от времени суток и погодных условий. Источниками космического радиоизлучения являются объекты Вселенной, в которых протекают бурные физические процессы. Принцип действия радиотелескопа похож на принцип действия обычного телескопа. Но роль объектива, собирающего космическое излучение играют в радиотелескопе огромные антенны специальной формы. Один из крупнейших отечественных радиотелескопов (РАТАН) построен в 40 км от 6-метрового оптического телескопа и вступил в строй в 1977 г. Его кольцевая антенна диаметром 600 м состоит из 895 алюминиевых щитов-зеркал, каждый из которых может поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей, что позволяет наводить радиотелескоп на разные участки звездного неба.

Еще одним вестником Вселенной являются инфракрасные лучи, расположенные в промежутке между радиоволнами и волнами видимого света. Они обладают важным качеством: проходят сквозь космическую пыль и межзвездный газ. Человеческий глаз не воспринимает инфракрасное излучение, нечувствительны к нему и обычные фотопластинки. Поэтому при фотографировании космических объектов в инфракрасных лучах применяют специальные фотоматериалы и электронно-оптические преобразователи.

Из глубин Вселенной поступают еще три вида сигналов: ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-лучи. Для данных видов коротковолнового излучения земная атмосфера является препятствием. Такое излучение стало доступным лишь при появлении ракетной и космической техники. С помощью прибора, установленного на борту высотных ракет удалось получить, например, ультрафиолетовый снимок Солнца.

С помощью рентгеновских телескопов, установленных на борту космических аппаратов, зарегистрировано рентгеновское излучение большого числа различных космических объектов, обнаружены межгалактический газ внутри скоплений галактик и рентгеновское свечение всего неба – своеобразный рентгеновский фон.

К многообещающим источникам космической информации можно отнести гамма-излучение. Энергия гамма-квантов значительно превосходит энергию фотонов видимого света. Для них Вселенная почти прозрачна. Они приходят к нам от весьма удаленных объектов и несут информацию о физических процессах в глубине Вселенной.

С развитием ядерной физики и физики элементарных частиц наметился еще один путь, ведущий к сокровенным тайнам Вселенной. Он связан с регистрацией космических нейтрино и лежит в основе нейтринной астрономии. Отличительная особенность нейтрино состоит в том, что обладает чрезвычайно высокой проникающей способностью. Регистрируя нейтринный поток с помощью детекторов, можно получить информацию о термоядерных процессах, которые протекают в звездах и являются мощным источником энергии.

С появлением космической техники открылась новая возможность исследования Вселенной. Созданный уникальный телескоп-спутник «Хаббл» позволил получить не только четкие изображения планет Солнечной системы, но и новые сведения о происходящих там процессах. На снимках, сделанных в 1996 г. с расстояния примерно в 100 млн. км можно различить детали поверхности Марса размером не менее 25 км – такова разрешающая способность телескопа «Хаббл». Для сравнения следует отметить, что один из лучших наземных телескопов в мире, расположенный в обсерватории Маунт-Паломар (США) позволяет рассмотреть детали на Марсе размером не менее 300–400 км. С помощью спутникового телескопа «Хаббл» удалось лучше рассмотреть кольца Сатурна и обнаружить кольцевые системы, украшающие Юпитер, Уран и Нептун. С поверхности Земли такие системы не видны – мешает замутненность атмосферы нашей планеты.

В настоящее время создается новый внеземной телескоп, который заменит «Хаббл» в 2006 г. Новый телескоп гораздо чувствительнее «Хаббла». Он сможет обнаружить в десятки раз более слабые объекты. Диаметр зеркала нового прибора равен 8 м. Для сравнения: зеркало телескопа «Хаббла» имеет диаметр 2,4 м и весит 826 кг. Предложенная новая конструкция зеркала весит всего 7 кг. В ней зеркальную поверхность образует слой золота, нанесенный на силиконовую пленку.

Ежедневная картина восхода Солнца вряд ли вызывает удивление. А можно ли наблюдать восход Земли? Оказывается, можно. Такую возможность представляют космические аппараты .

Долгое время Земля казалась человеку необъятной и безграничной. Понадобились сотни, даже тысячи лет, чтобы разглядеть собственными глазами Землю из космоса, откуда представилась прекрасная возможность увидеть нашу планету всю, целиком, и откуда она больше не кажется нам необъятной и безграничной.

Таким образом, созданный во второй половине XX в. огромный арсенал средств астрономических наблюдений, наземных и комических, способствует дальнейшему успешному раскрытию тайн Вселенной.

Источник

Методы изучения Вселенной

Современная наука значительно расширила возможности по­знания Вселенной, существенно увеличилась и техническая осна­щенность, что позволяет комплексно изучать космическое про­странство.

Изучение метеоритов. Метеориты являются вели­колепным материалом для изучения Вселенной, так как по их составу можно судить об ее веществе. Исследование метеоритов показало, что они состоят из тех же самых элементов, что и Земля. Этот факт служит ярким подтверждением единства материи во Вселенной.

Изучение метеоритов раздвигает границы наших познаний о внутреннем строении Земли, поскольку они являются обломками разных частей космических тел. Метеориты несут весьма ценную» информацию об истории возникновения планет Солнечной системы. По данным ядерной хронологии, их возраст, равный примерно 4,5—4,6 млрд. лет, почти совпадает с возрастом Земли.

Изучение космического пространства с помощью телескопов и радиотелескопов. Мощные телескопы дают возможность фотографировать космиче-

ские тела и отдельные участки неба, в комплексе с различными приборами позволяют определять светимость, температуру, рельеф космических тел и т. п. С помощью телескопов изучают спектры светил, их изменение, а по характеру спектра делают вы­воды о движении космических тел, химическом составе их вещества, типе реакций, протекающих на них. Значительно расширило возможности познания Вселенной применение радиотелескопов.

Изучение космического пространства с помощью искусственных спутников, кос­мических станций и кораблей. Начало этому виду изучения космического пространства было положено 4 ок­тября 1957 г., когда в Советском Союзе впервые в мире на около­земную орбиту был выведен искусственный спутник Земли. 12 ап­реля 1961 г. гражданин Советского Союза Ю. Гагарин первым совершил космический полет вокруг Земли на пилотируемом ко­рабле «Восток». Еще через несколько лет советский космонавт А. Леонов впервые вышел в открытый космос.

В Советском Союзе впервые в мировой практике были успешно осуществлены полет автоматического космического аппарата «Луна-16» на другое небесное тело и возвращение его на Землю. Долгое время на Луне работал автоматический аппарат «Луно­ход-1», который позволил установить общий тип пород, слага­ющих поверхность лунного моря, исследовать характер распро­страненности мелких кратеров и камней. В результате успешной работы автоматической станции «Луна-20» решена задача взятия грунта из труднодоступного материкового района Луны.

С помощью советских автоматических станций получены цен­ные сведения об атмосфере Венеры. Впервые осуществлена мягкая посадка космического аппарата на поверхность Марса, а станции «Марс-2» и «Марс-3» стали искусственными спутниками Марса. За время полета по орбитам они передали большой объем ин­формации о физических особенностях планеты и окружающего ее космического пространства.

Особо ценную информацию дал лунный грунт, доставленный на Землю советскими автоматическими станциями и американ­скими космонавтами. Материал поверхности Луны несет на себе отпечатки как первичных процессов, приведших к образованию материнских горных пород, так и последующих воздействий, многие из которых отсутствуют на поверхности Земли. Однако вследствие своих особенностей Луна во многих отношениях ока­залась «законсервированной» в течение длительного геологиче­ского времени, поэтому можно ожидать, что на Луне найдут отра­жение процессы, сходные с процессами, происходившими на ран­них этапах формирования Земли.

Новой страницей в изучении Космоса и Земли явились бес­примерные исследования советских космонавтов на космических станциях типа «Салют». Фотографирование различных районов нашей страны с помощью многофокусных аппаратов позволило

внести коррективы в тектоническое районирование, наметить перспективные участки для поисков полезных ископаемых, из­учить с помощью снимков характер созревания хлебов, сохран­ность лесонасаждений и т. п. Наши космонавты проводили иссле­дования по выращиванию кристаллов, характеризующихся уни­кальными свойствами; проводили эксперименты по пайке мате­риалов, не поддающихся этому процессу в земных условиях; вели наблюдения за жизнедеятельностью организмов в условиях невесомости; осуществляли с помощью специальных аппаратов астрономические наблюдения и т. п. Стыковка с «Салютом-6» транспортных кораблей, дозаправка его двигателей и своевремен­ная коррекция орбиты позволили создать на орбите прототип космической станции по изучению Космоса.

Гипотеза образования планет Солнечной системы

С давних пор проблема образования Земли и Солнечной си­стемы в целом привлекала к себе внимание выдающихся ученых. Решением ее занимались И. Кант, П. Лаплас, Д. Джине, совет­ские ученые —- академики О. Ю. Шмидт, В. Г. Фесенков, А. П. Ви­ноградов и др. Предложенные ими гипотезы отражали достигну­тый к тому времени уровень знаний, однако окончательного реше­ния этой проблемы не получено до сих пор. В свете современных научных достижений гипотеза образования Солнечной системы сводится к следующему.

В пределах нашей Галактики, вблизи ее экваториальной пло­скости, располагался неоднородный газо-пылевой диск, состо­ящий из медленно вращающихся газо-пылевых облаков. В состав облаков входили преимущественно атомы водорода, за счет уве­личения плотности которых и могло происходить их образование. Плотность атомов водорода в таком облаке достигает 1000 атом/см 3 , что в 10 000 раз превышает их плотность в нормальном межзвезд­ном пространстве Галактики. Наряду с водородом в состав облака могли входить углерод, азот, кислород, микронные пылевидные частицы. Внутри облаков происходит хаотическое, турбулентное движение вещества.

С увеличением размера и плотности облако под действием сил тяготения начинает сжиматься. Гравитационное сжатие почти всей массы первично холодного облака (—220 °С) ведет к уплот­нению его до состояния Протосолнца. В центре последнего стано­вятся возможными термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением в виде взрыва огромного количества энергии и веще­ства. По мнению акад. А. П. Виноградова, из выброшенного около 5,5 млрд. лет назад взрывами вещества вокруг Протосолнца образовалось горячее плазменное облако (протопланетное облако). На первом этапе формирования планет происходило охлаждение протопланетного облака, потеря газов в космическое пространство и конденсация части его вещества в твердые частицы. Первыми конденсировались наиболее тугоплавкие химические элементы: 10

вольфрам, титан, молибден, платина и др., а также их окислы. Таким образом, раскаленное газовое вещество вновь превращалось в холодное газо-пылевое облако. Протопланетное облако с тече­нием времени теряло энергию в результате столкновения «пыли­нок». Происходило его уплощение, движение вещества в нем упорядочивалось, становилось близким к круговому. Постепенно вокруг молодого Солнца в результате конденсации пылевидного вещества образовался широкий кольцеобразный диск, который распадался на отдельные холодные кучности вещества — рои твердых частиц газа. Они взаимодействовали друг с другом, смешивались, соударялись, сращивались, подвергаясь косми­ческому облучению. Происходило образование отдельных фаз вещества, главным образом силикатов, железо-никелевого метал­лического сплава, сульфидов и т. п. В результате агломерации этих фаз возникли каменные и другие метеориты. Этот же процесс стяжения холодного вещества протопланетного облака привел к образованию и протопланет Солнечной системы около 5 млрд. лет назад, Сформировавшись как геологическое тело, Протоземля еще не стала планетой. Она являлась холодным скоплением космического вещества, однако именно с этого времени начинается ее догеологическая эволюция.

Под влиянием таких факторов, как удары метеоритных тел, гравитационное уплотнение и выделение тепла радиоактивными элементами, начался разогрев верхних частей Протоземли. Сна­чала плавилось железо, затем силикаты. Это привело к возникно­вению здесь пояса жидкого железа. Вследствие дифференциации вещества более легкий силикатный материал должен был всплыть наверх, а тяжелый металл сконцентрироваться в центре планеты. Вязкие, преимущественно силикатные массы образовали первич­ную мантию Земли, а металлические массы — ее ядро. Так, по-ви­димому, около 4,6 млрд. лет назад сформировалась планета Земля.

Внутренние планеты, расположенные ближе к Солнцу, обра­зовались путем конденсации высокотемпературной фракции, бога­той железом. Чем дальше от Солнца, тем меньше у планет содер­жание металлического материала. Так, Меркурий на 2 /₃ состоит из металлического железа, а Марс — на ‘/₄. В астероидальном кольце формировались преимущественно хондритовые астероиды, в которых возрастало содержание низкотемпературной фракции. И, наконец, главной составной частью внешних планет являются газы, почти целиком состоящие из неразделенного солнечного вещества.

Источник