Что означает термин всеволновая астрономия
Урок 22 Телескопы и их характеристики. Методы астрофизических исследований. Всеволновая астрономия
Урок 22 Телескопы и их характеристики. Методы астрофизических исследований. Всеволновая астрономия
Тема. Телескопы и их характеристики. Методы астрофизических исследований. Всеволновая астрономия
Учащиеся должны знать:
1. Назначение телескопов.
2. Телескопы во всех диапазонах электромагнитных волн.
3. Методы астрофизических исследований.
Основные понятия. Телескопы. Астрофизические исследования.
Демонстрационный материал. Модели телескопы.
Самостоятельная деятельность учащихся. Выполнение заданий с помощью электронного планетария.
Мировоззренческий аспект урока. Формирование научного подхода к изучению Вселенной во всём диапазоне электромагнитных волн.
Использование новых информационных технологий. Работа с интерактивным моделями
Краткое содержание урока
I. Актуализация знаний. Методы астрофизических исследований
II. Изучение нового материала
III. Закрепление материала.
Объяснение учителя, беседа
IV. Самостоятельная работа с планетарием и подвижной картой.
V. Домашнее задание
Запись на доске учителя
I. Методы астрофизических исследований
Астрономия изучает строение Вселенной, движение, физическую природу, происхождение и эволюцию небесных тел и образованных ими систем. Астрономия исследует также фундаментальные свойства окружающей нас Вселенной.
Как наука, астрономия основывается, прежде всего, на наблюдениях. В отличие от физиков астрономы лишены возможности ставить эксперименты. Практически всю информацию о небесных телах приносит нам электромагнитное излучение. Только в последние сорок лет отдельные миры стали изучать непосредственно: зондировать атмосферы планет, изучать лунный и марсианский грунт, изучать непосредственно атмосферу Титана.
В XIX веке физические методы исследования проникли в астрономию, и возникла симбиотическая наука – астрофизика, которая изучает физические свойства космических тел. Астрофизика делится на: а) практическую астрофизику, в которой разрабатываются и применяются практические методы астрофизических исследований и соответствующие инструменты и приборы, способные получить максимально полную и объективную информацию о космических телах; б) теоретическую астрофизику, в которой на основании законов физики даются объяснения наблюдаемым физическим явлениям.
Телескопы бывают самыми разными – оптические (общего астрофизического назначения, коронографы, телескопы для наблюдения ИСЗ), радиотелескопы, инфракрасные, нейтринные, рентгеновские. При всем своем многообразии, все телескопы, принимающие электромагнитное излучение, решают две основных задачи:
· создать максимально резкое изображение и, при визуальных наблюдениях, увеличить угловые расстояния между объектами (звездами, галактиками и т. п.);
· собрать как можно больше энергии излучения, увеличить освещенность изображения объектов.
Способность увеличивать угол характеризуется увеличением телескопа. Оно равно отношению фокусных расстояний объектива F и окуляра f.
Изучение Вселенной началось и продолжается в течение нескольких тысячелетий, но вплоть до середины прошлого века исследования были исключительно в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Поэтому доступной областью излучения был диапазон от 400 до 700 нм. Первые астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими, изучалось только расположение планет, звёзд и их видимое движение на небесной сфере.
Наблюдения в оптическом диапазоне. Древняя обсерватория Стоунхендж и БТА.
В XX веке астрономия стала всеволновой. В настоящее время излучение от космических объектов регистрируется во всем диапазоне электромагнитного спектра от длинноволнового радиоизлучения (частота 107 Гц, длина волны l = 30 м) до гамма-излучения (частота 1027 Гц, длина волны l = 3×10–19м = 3×10–10нм).
Астрономические наблюдения проводятся во всем диапазоне электромагнитных волн.
Наблюдения в других спектральных диапазонах позволили сделать важные открытия. Сначала были изобретены радиотелескопы. Так, радиоволны принесли информацию о наличии крупных молекул в холодных молекулярных облаках, об активных галактиках, о строении ядер галактик, в том числе и нашей Галактики, тогда как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается космической пылью. Любой радиотелескоп по принципу своего действия похож на оптический: он собирает излучение и фокусирует его на детекторе, настроенном на выбранную длину волны, а затем преобразует этот сигнал, показывая условно раскрашенное изображение неба или объекта. Чтобы существенно улучшить угловое разрешение, в радиоастрономии используют радиоинтерферометры. Простейший радиоинтерферометр состоит из двух радиотелескопов, разнесенных на расстояние, называемое базой интерферометра. Радиотелескопы, находящиеся в разных странах и даже на разных континентах, также могут соединяться в единую систему наблюдений. Такие системы получили название радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (РСДБ). Такие системы дают максимально возможное угловое разрешение, в несколько тысяч раз лучше, чем у любого оптического телескопа.
Наша Земля надежно защищена атмосферой от проникающего жесткого электромагнитного излучения, от инфракрасного излучения. Поэтому современные инфракрасные, рентгеновские и гамма обсерватории вынесены за пределы земной атмосферы.
Модель Инфракрасные телескопы
Модель Рентгеновские телескопы
Наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазонах позволяли исследовать космические объекты на поздних стадиях их жизни, открыть пульсары, черные дыры, столкновения скоплений галактик и т. д.
Составные части современной астрономии.
С помощью астрофизических методов можно определять скорости космических объектов, химический состав, массу, оценивать их размеры. Космос является гигантской физической лабораторией, в которой естественным путем создаются физические условия, невозможные на Земле, – экстремальные значения температур, плотностей, светимостей и т. д. Природа космических тел и космического пространства является предметом исследования не только астрономов, но и физиков.
Почему можно проводить наблюдения на Земле в радиодиапазоне, но нельзя проводить в гамма-диапазоне? Почему есть наземные радиотелескопы и нет наземных гамма-телескопов? К какому типу телескопов относится орбитальная обсерватория Чандра? В каком диапазоне проводятся наблюдения на этой обсерватории? На какой максимальной частоте проводятся наблюдения и к какому диапазону это относится? Какие объекты являются яркими источниками рентгеновского излучения? Как их наблюдают с Земли или с помощью орбитальных рентгеновских телескопов? Какие объекты являются мощными источниками гамма-излучения? На каких самых длинных волнах ведутся наблюдения радиотелескопами? (Ответ: 30 м. Радиоволны с длиной волны λ > 30 м не проходят через атмосферу Земли). На каких минимальных частотах ведутся наблюдения радиотелескопами? (Ответ: 10 МГц).
1. Какое из перечисленных электромагнитных излучений имеет наибольшую длину волны?
А. Инфракрасное излучение.
Б. Видимое излучение.
В. Ультрафиолетовое излучение
Г. Рентгеновское излучение
2. Термин «всеволновая астрономия» означает:
А. прозрачность земной атмосферы для всех волн электромагнитного излучения, приходящего из космоса;
Б. изучение излучения небесных объектов во всем диапазоне электромагнитного спектра от радиоволн до гамма-излучения;
В. изучение невидимых диапазонов электромагнитного спектра у небесных светил;
Г. изучение излучения небесных объектов во всем диапазоне видимого спектра электромагнитного излучения, от красного до синего цветов.
3. Разрешающая способность глаза, то есть восприятие двух звезд (точечных источников) раздельно, равна минимальному углу зрения:
4. Увеличение разрешающей способности телескопа возможно:
А. При уменьшении диаметра объектива;
Б. При уменьшении длины волны регистрируемого излучения
В. При уменьшении диаметра окуляра
Г. При увеличении длины волны регистрируемого излучения
5. Как можно вычислить увеличение телескопа?
А. Отношение диаметра объектива к фокусному расстоянию окуляра.
Б. Отношение фокусного расстояния окуляра к фокусному расстоянию объектива.
В. Отношение фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра.
Г. Отношение диаметра объектива к фокусному расстоянию объектива.
6. Самый большой в мире наземный телескоп имеет диаметр около:
1. Какое из перечисленных электромагнитных излучений имеет наименьшую длину волны?
Б. Видимое излучение.
В. Ультрафиолетовое излучение
Г. Рентгеновское излучение
2. Термин «всеволновая астрономия» означает:
А. изучение невидимых диапазонов электромагнитного спектра у небесных светил;
Б. изучение излучения небесных объектов во всем диапазоне видимого спектра электромагнитного излучения, от красного до синего цветов.
В. прозрачность земной атмосферы для всех волн электромагнитного излучения, приходящего из космоса;
Г. изучение излучения небесных объектов во всем диапазоне электромагнитного спектра от радиоволн до гамма-излучения;
А. Для увеличения углового размера небесного объекта.
Б. Для усиления блеска звезд.
В. Для увеличения углового расстояния между небесными объектами
Г. Для всего вышеперечисленного
4. Космический телескоп им. Хаббла имеет диаметр:
5. Чем собирается свет в телескопе-рефлекторе?
А. Выпуклым зеркалом
В. Вогнутым зеркалом
Г. Рассеивающей линзой
6. Как можно вычислить увеличение телескопа?
А. Отношение диаметра объектива к фокусному расстоянию окуляра.
Б. Отношение фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра
В. Отношение диаметра объектива к фокусному расстоянию объектива
Г. Отношение фокусного расстояния окуляра к фокусному расстоянию объектива
Всеволновая астрономия
В начале этой главы мы уже коснулись особенностей общенаучной революции XX века, которая повлекла за собой новый, неизвестный ранее уровень взаимодействия науки и общества. Наука или, как ее зачастую справедливо теперь называют, Большая Наука стала громадной областью общественной жизни. Она поддерживается и управляется государством, и это как никогда ранее резко подчеркнуло зависимость науки от социально-политических и экономических факторов. В одних странах в государственные цели управления наукой входит благо народа, в других она откровенно поставлена на службу правящему классу, однако внешние признаки современной науки в странах с различными социально-экономическими системами во многом схожи. Наука резко «вздорожала» и способна поглотить сегодня до 5-6% валового национального продукта. Профессия научного работника в развитых странах вошла в число массовых профессий. Окрепла тенденция к комплексно-системному единству знания, т. е. к сближению и взаимопроникновению естественных, технических и общественных наук; на стыках наук возникло немало направлений комплексных исследований, таких как математические методы исторических исследований, техническая эстетика, структурная лингвистика, математическая социология и многие другие.
Наука резко расширила свое влияние на культуру. Характерные в этом отношении примеры: всеобщий интерес к жанру научной фантастики, превращение научно-популярного жанра в крупную отрасль современной литературы. Во многом под влиянием запросов науки формируется в настоящее время система образования. Значительное влияние достижений науки испытывает на себе философия.
Крупные перемены в XX в. произошли в существе научного метода. Если еще в XIX в. в науке безраздельно царил «лапласов детерминизм», а на Вселенную смотрели как на отличный раз и навсегда отлаженный «часовой механизм», то теперь наступило время уяснить, сколь велика в природе роль случайных процессов. Оказалось, что немаловажна роль и самого ученого. Как метко заметил выдающийся физик В. Гейзенберг, то, что мы исследуем – это не просто природа, а «природа, которая выступает в том виде, в каком она выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов».
В XX в. отчетливо проявлялась тенденция к технизации эксперимента с использованием дорогостоящих уникальных установок. Более того, в экспериментальном отношении на смену одиночным проверочным опытам пришло комплексное моделирование явлений в их динамике. Возможности математического моделирования процессов и явлений способствовали дальнейшей математизации науки и обогатили творческую функцию математики.
Место науки в современном обществе определяется ее богатыми возможностями как непосредственной производительной силы. От физики ожидается овладение новыми видами энергии, в первую очередь, благодаря управляемой термоядерной реакции. Химия доказала свою эффективность, например, в создании принципиально новых конструкционных материалов. Биология, в частности, способствовала «зеленой революции» – резкому повышению продуктивности сельского хозяйства. Технические науки служат основой технологического перевооружения производства. Эти примеры легко умножать.
Перспективные направления современной науки во многом определяются стоящими перед человечеством глобальными проблемами, имеющими преимущественно экологическую окраску: истощение сырьевых ресурсов, включая энергетические проблемы, нехватку питьевой воды и т. п., загрязнение окружающей среды с пагубными последствиями для фауны и флоры, необходимость овладения богатствами Мирового океана, космическим пространством и т. д.
Разумеется, астрономия не осталась в стороне от событий общенаучной революции XX в. Однако, как это ни горько для астрономов, в XX в. она утратила некогда заслуженно ей принадлежавшую роль лидера естествознания. Она перестала быть «законодательницей мод». Теперь на ведущее место среди фундаментальных наук выдвинулись физика, биология, химия. Но это вовсе не означает, что темпы развития астрономии сократились. В условиях общенаучной революции, приобщившись к достижениям других научных дисциплин и достижениям техники, астрономия тоже совершила грандиозный скачок, преобразовавшись из астрономии оптической в астрономию всеволновую.
Мы уже имели ранее случай упомянуть, что энергия, которая идет к Земле от других небесных тел в форме электромагнитного излучения, заключена в нескольких диапазонах спектра, которые выделялись исторически по особенностям методов их изучения и регистрации. Еще в 1800 г. Вильям Гершель, наблюдая солнечный спектр, оставил термометр за его красным концом и обнаружил там повышение температуры. Так были открыты невидимые «тепловые» лучи – инфракрасное излучение.
Годом позже сходным образом по влиянию на хлористое, серебро было обнаружено излучение ультрафиолетовое.
Оптический диапазон – видимый свет – лишь ничтожная доля электромагнитного спектра. Энергия поступает к Земле также в форме гамма-, рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного излучения и радиоволн.
Оптический диапазон, доступный невооруженному глазу, был освоен человеком с момента рождения. Насколько это позволяла атмосфера, велись скромные наблюдения в инфракрасной области. Инфракрасное излучение сильно поглощается содержащимся в воздухе водяным паром, и поэтому телескопы со спектральными приемниками инфракрасного излучения стремятся устанавливать в высокогорных и засушливых районах. Как мы рассказывали, в середине XX в. был успешно освоен радиодиапазон. Для наблюдений в остальных участках спектра пришлось поднять астрономические приборы в заатмосферные высоты. Поначалу для этой цели использовали полеты самолетов и стратостатов, позже стали устанавливать аппаратуру на искусственных спутниках Земли.
Под астрофизикой высоких энергий мы понимаем сегодня самую молодую область экспериментальной астрофизики, которая занимается наблюдениями коротковолновой части электромагнитного спектра: ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Энергия излучения в этих областях спектра намного выше, чем во всех остальных, и такое излучение дает представление о космических процессах, проходящих с наибольшим выделением энергии. Существо подобных процессов во многих отношениях остается загадкой, и отсюда проистекает ценность внеатмосферных астрономических наблюдений на пилотируемых космических кораблях и автоматических космических аппаратах. Наблюдения в рентгеновском диапазоне, например, привели к открытию нескольких десятков неизвестного ранее типа вспыхивающих объектов. Они расположены преимущественно близ центра нашей Галактики и в некоторых богатых шаровых скоплениях. Интервалы между всплесками рентгеновского излучения составляют от нескольких часов до нескольких дней. Эти новые объекты «рентгеновского неба» получили название барстеров.
Всеволновая астрономия – детище XX века, и она стала реальностью лишь на базе освоения многих достижений физики, электроники, кибернетики, космонавтики. Астрофизика высоких энергий делает первые шаги. Мы воздерживаемся от упоминания ряда ее конкретных открытий последнего десятилетия, но вновь и вновь подчеркнем, что она изменила дух астрономии. Астрономия окончательно перестала быть наукой о статичном мире. В сферу ее интересов ворвались процессы эволюции, протекающие в метагалактических масштабах, ворвались природные объекты, отличающиеся экстремальными плотностями и температурами. Не будет удивительно, если дальнейшее их исследование действительно поведет в скором времени даже к необходимости пересмотра кое-каких физических представлений. Благодаря прогрессу этой отрасли астрофизики мы с фактами в руках можем характеризовать особенности гигантских нестационарных и взрывных процессов, гораздо более уверенно строить модели начальных стадий расширения Вселенной.
Урок «Всеволновая астрономия»
Объявление:
По разделу составлена презентация “Всеволновая астрономия” – может использоваться как составляющая часть комбинированного занятия в качестве пособия с применением телекоммуникационных технологий для занятий по программе элективного курса “Астрономия в цифрах и образах”, а также на занятиях по астрономии и физики.
В процессе подготовки презентации по данной теме принимала участие Монастырёва Альвина, ученица 11-го класса, в качестве выполнения творческого задания по данному разделу. По разделу составлены тесты для проверки степени усвоения изучаемого материала.
Цель: обобщение, углубление и систематизация материала о диапазонах электромагнитных излучений и формирование представления “Всеволновая астрономия”.
– Обобщение и углубление астрофизических понятий о методах астрономии и способах регистрации электромагнитного излучения космических тел;
– Аналитическое изучение истории создания представлений о всеволновой астрономии;
– Формирования представления о способах и методах изучения небесных тел и явлений;
– Формирование представлений о взаимосвязи наук о природе и развитие логического мышления.
Оборудование: Фотографии небесных тел и систем телескопов, презентация «Всеволновая астрономия» и тест «Шкала электромагнитного спектра».
Презентация используется как составляющая часть занятия, для закрепления и проверки степени усвоения новой информации – тест.
Историческая справка: шкала электромагнитного спектра и оптические телескопы.
Вселенная насыщена светом. Свет – это так называемый видимый диапазон, который воспринимается нами с помощью органа зрения – глаза. Свет, как известно, представляет собой электромагнитные волны. Понятие “свет” используется в оптике в более широком смысле. Сюда включают электромагнитные волны не только видимого, но и смежных диапазонов. Ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение образуют так называемую оптическую область спектра. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и общностью методов и приборов, используемых для их исследования.
Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм): 1 нм = 10 –9 м = 10 –7 см = 10 –3 мкм.
Видимый свет занимает диапазон приблизительно от 400 нм до 780 нм или от 0,40 мкм до 0,78 мкм. Из всех видов космического электромагнитного излучения к поверхности Земли сквозь ее атмосферу проходят, практически не ослабевая, только видимый свет, близкое (коротковолновое) инфракрасное излучение и часть спектра радиоволн.
Вся шкала электромагнитных волн является свидетельством того, что все излучения обладают одновременно квантовыми и волновыми свойствами. Квантовые и волновые свойства в этом случае не исключают, а дополняют друг друга. Волновые свойства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко – при больших. И наоборот, квантовые свойства ярче проявляются при больших частотах и менее ярко – при малых. Чем меньше длина волны, тем ярче проявляются квантовые свойства, а чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства.
До 1609 года изучение небесных тел проводилось невооружённым глазом. В 1609 году Г.Галилей впервые применил оптический телескоп для исследования небесных тел и сделал ряд открытий: (Слайд 4). Но первые телескопы Галилея были далеки от совершенства: первая труба телескопа давала всего лишь трёхкратное увеличение (Слайд 5). После усовершенствования телескопа Галилей имел трубу с 30-кратным увеличением.
Задача телескопа – «уловить» слабый световой поток от звёзд (Слайд 6–7). Чтобы уловить свет далёких звёзд, необходимо было увеличить площадь зрачка – в этом заключалась первоначальная задача телескопа. Поэтому телескоп можно охарактеризовать такой величиной, как «входное отверстие» для света звёзд – объектив, характеристикой которого является диаметр (D). Объектив – та часть телескопа, которая «смотрит» на объект. Ту часть телескопа, к которой прикладывается глаз наблюдателя, называют окуляром (от слова «око»). Объектив строит изображение объекта (Луны, планет) или участков звёздного неба в фокальной плоскости. Окуляр, выполняющий роль лупы, позволяет приблизиться к изображению этого объекта и рассматривать его под большим углом, чем сам объект. Следующее важное свойство телескопа – увеличить угол, под которым мы наблюдаем небесное тело. Увеличение (n x ) телескопа зависит от фокусного расстояния объектива (F) и фокусного расстояния используемого окуляра(f): ð n x = F/f. Или его можно определить как отношение угловых расстояний: ð n x = ρ /β, где ρ – угловое расстояние, на котором находятся, например, две звезды, рассматриваемые в телескоп и β – то же самое расстояние между звёздами при наблюдении невооружённым глазом.
В настоящее время на вооружении астрономов имеются оптические телескопы с диаметром объектива более 10 м (Слайды 8–10) и разрабатываются проекты более крупных телескопов (Слайд 11). Земная атмосфера очень сильно поглощает излучение, поэтому вынос телескопа за пределы атмосферы (Слайды 12) позволил расширить возможности оптических телескопов. Создание космических телескопов стало возможным только после 1957 г.
Инфракрасное излучение и радиоволны небесных тел.
Итак, диапазон тепловых лучей гораздо шире, чем видимый спектр. Земная атмосфера пропускает небольшую часть инфракрасного излучения. Наблюдения в ИК-лучах можно выполнять при помощи наземных телескопов, установленных высоко в горах, со стратостатов и даже с высотных самолётов. С развитием космической техники телескопы стали размещать на спутниках.
Началом инфракрасной астрономии считается первый обзор неба, проведенный в ИК-диапазоне международной космической обсерваторией “IRAS” (InfraRed Astronomical Survey). Обсерватория вышла на околоземную орбиту в 1983 г. и проработал на орбите год (Земля и Вселенная, 1994, № 1). За это время учёным удалось многое узнать об инфракрасной Вселенной и о Солнечной системе, частности, были открыты шесть новых комет и пылевой диск вокруг Веги. Существенно большими возможностями обладала запущенная в 1989 г. на околоземную орбиту американская космическая обсерватория “COBE” (Cоsmic Background Explorer) (Слайд 14). С ее помощью удалось, получить четкое ИК-изображение всего Млечного Пути (Слайд 15–16) и построить модель галактического диска, измерив, в частности, расстояние от плоскости Галактики до Солнца (около 40 св. лет).
Еще большую длину имеют радиоволны. Это – длинноволновый конец электромагнитного спектра (Слайд 17). Радиоволны, как и видимый свет, представляют собой электромагнитные колебания, но длина волны у них неизмеримо больше, чем у световых волн. Радиоастрономы обычно работают в диапазоне длин волн от нескольких миллиметров до 15–20 м. Радиоволны в значительной степени проходят сквозь земную атмосферу, и лишь некоторые из них, которые называют короткими, отражаются от ионизованного слоя земной атмосферы. Многие объекты Вселенной, включая Солнце, планеты, туманности, галактики, и в особенности такие необычные объекты, как, например, пульсары и квазары, излучают радиоволны. Но от изобретения радио до открытия космического радиоизлучения прошло несколько десятилетий. Причина в том, что радиоизлучение космических объектов исключительно слабое, поэтому для его исследования необходимы очень чувствительные приборы и огромные приёмные антенны (Слайд18 ).
Радиотелескопы состоят из антенны и чувствительного радиоприемника с усилителем Доходящее до Земли радиоизлучение подавляющего большинства небесных тел настолько мало, что для его приема необходимы антенны с полезной площадью в тысячи и десятки тысяч квадратных метров (Слайд 19).
Разрешающая способность, или, разрешение телескопа – это его способность разделить сигналы от двух близких по направлению источников. Минимальный угол (в радианах) между такими источниками определяется отношением длины волны излучения к диаметру телескопа: Р = λ/D. Если антенна диаметром 300 м используется для наблюдения на волне длиной 1 м, то ее разрешение составляет около 1/300 радиана или 11 угловых минут. Это заметно хуже, чем у глаза (около 1 угловой минуты) и намного хуже, чем у крупных оптических телескопов (менее 1 угловой секунды). Для увеличения разрешающей способности стремятся использовать антенны большого диаметра на короткой длине волны. Чтобы существенно увеличить угловое разрешение, радиоастрономы используют интерферометры. Простой радиоинтерферометр состоит из двух радиотелескопов, удаленных на некоторое расстояние. Разрешающая сила такой системы определяется уже не диаметром антенны каждого телескопа, а расстоянием между ними, которое называется базой радиоинтерферометра.
Часто для ее улучшения один объект наблюдают синхронно целой системой радиотелескопов, содержащей несколько десятков антенн, разнесенных иногда на тысячи километров (Слайд 20–22). Некоторые известные радиотелескопы являются также радиолокаторами, например 305-метровый телескоп в Аресибо (Слайд 18). Другие радиотелескопы используют как радары, посылая мощный сигнал и принимая отраженный от объекта импульс. Это позволяет точно определять расстояние до планет и астероидов, измерять их скорость и даже строить карту поверхности.
Радиоастрономические исследования позволяют: а) изучать космические объекты, исследование которых другими методами дает весьма ограниченные сведенья об их физической природе; б) проводить ряд наблюдений днем и в плохую погоду, а также ориентироваться по радиоисточникам; в) радиолокационными методами можно уточнить расстояния до Луны, планет и Солнца, а также исследовать метеоры.
Радиотелескопы бывают ультрафиолетовые, рентгеновские, инфракрасные, гамма телескопы. С соответствующими приемниками их могут запускать на орбитальные станции за пределы земной атмосферы. Они улавливают излучение и передают данные для обработки на Землю. Данные обрабатываются электронно-вычислительными машинами, которые могут выводить результаты на видеоэкран, хранить и строить изображения в условных цветах
Астрономы считают, что в течение последней четверти века радиоастрономия дала для познания Вселенной не меньше, чем классическая астрономия за все предыдущие столетия. В этом диапазоне было обнаружено доказательство расширения Вселенной по обнаружению реликтового излучения.
Огромный объём информации о космосе целиком остаётся за пределами земной атмосферы. Большая часть инфракрасного и ультрафиолетового диапазона, а также рентгеновские и гамма-лучи космического происхождения недоступны для наблюдений с поверхности Земли. Для того чтобы изучать Вселенную в этих лучах, необходимо вынести наблюдательные приборы в космос. Наблюдения астрономических объектов с помощью приборов, поднятых за пределы земной атмосферы на борту геофизических ракет или искусственных спутников, называют внеатмосферными наблюдениями.
Излучение, длина волны которого короче видимых лучей фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым. Ультрафиолетом считают электромагнитные волны с длиной волны от 100 Å до 7 000 Å. Это излучение вредно для живых организмов, но оно не проходит сквозь атмосферу Земли. Озоновый слой активно поглощает небезопасные лучи. Диапазон ультрафиолетового излучения находится на электромагнитном спектре излучений на частотах между видимым светом и диапазоном рентгеновских и гамма-лучей. Человеческий глаз не видит ультрафиолетовое излучение, т.к. роговая оболочка глаза и глазная линза поглощают ультрафиолет. Источником ультрафиолетового излучения в галактиках являются газовые облака, внутри которых находятся недавно родившиеся массивные звезды, излучающие преимущественно в ультрафиолетовой области спектра. Ультрафиолетовые фотографии небесных объектов делаются в космосе при помощи специальных телескопов. Примером такого телескопа является 50-сантиметровое зеркало космического телескопа “Галекс” (Слайд 23), созданного для сканирования неба в поисках источников ультрафиолетового излучения. Миссия “Галекс” имеет две основные цели: изучение образования и жизни звезд во Вселенной и изучение галактик в ультрафиолетовом диапазоне. Для изучения белых карликов, имеющих температуру поверхности порядка 100 000 К, требуются наблюдения в ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах.
За один раз “Галекс” охватывает область неба диаметром 1,2 градуса. Это – два угловых диаметра полной Луны (Слайд 24). Осмотр тысяч соседних галактик чувствительными ультрафиолетовыми “глазами” телескопа позволил определить три десятка галактик, которые сильно светятся в ультрафиолете (Слайд 25), и имеют большое сходство с юными галактиками, образованными всего несколько миллиардов лет тому назад. Это значит, что образование галактик продолжается и теперь. Это сенсационное открытие заставит заново пересмотреть все модели эволюции Вселенной.
В конце XIX в. немецкий физик Вильгельм Рентген открыл невидимые лучи, названные в его честь рентгеновскими. Длины волн лучей Рентгена заключены между 0,1 Å и 100 Å. Но рентгеновские лучи вредны живым организмам. Они обладают большой проникающей способностью и атмосфера Земли им не помеха. Защищает Землю магнитосфера. Она задерживает многие опасные излучения космоса. В астрономии рентгеновские лучи чаще всего вспоминаются в разговорах о черных дырах, нейтронных звездах и пульсарах. При аккреции вещества вблизи магнитных полюсов релятивистской звезды выделяется огромная энергия, которая и излучается в рентгеновском диапазоне. Мощные вспышки на Солнце также являются источниками рентгеновского излучения (Слайды 26–27). Видимая поверхность Солнца разогрета примерно до 6 тысяч градусов, что соответствует видимому диапазону излучения. Однако корона, окружающая Солнце, разогрета до температуры более миллиона градусов и потому светится в рентгеновском диапазоне спектра.
Рентгеновский телескоп “Чандра” (Chandra X-ray Observatory) вышел в космос в 1999 года. Он должен был наблюдать рентгеновские лучи, исходящие из областей, где есть очень высокая энергия, например, в областях звездных взрывов (Слайд 28). Несмотря на то, что сейчас в космос запущено более десятков аппаратов, ведущих наблюдения в рентгеновском диапазоне (включая телескоп Ньютон Европейского космического агентства), Чандра остается крупнейшим и наиболее эффективным.
Для сравнения потока рентгеновского излучения от космических источников также применяется еще одна внесистемная единица – Краб. Это поток излучения в заданном спектральном интервале от одного конкретного источника – Крабовидной туманности, или Краба (Слайд 29). Такой выбор определяется относительной стабильностью этого источника, поскольку, в отличие от подавляющего большинства остальных рентгеновских источников, пульсар в Крабе не входит в двойную систему и у него отсутствуют эффекты, связанные с орбитальным движением, а поэтому отсутствует и выраженная переменность. Кроме того, Краб является одним из ярчайших рентгеновских источников на небе. По этим причинам Краб служит естественным калибровочным источников для приборов, работающих в космосе. Поскольку спектры рентгеновских источников могут существенно отличаться от спектра Краба, то сравнение потоков, выраженных в Крабах, имеет смысл только в том случае, если эти потоки были измерены в одном и том же спектральном диапазоне, например, сравниваются данные одного и того же прибора по разным источникам.
Самое коротковолновое – это γ – излучение, которое испускают атомные ядра.
Принципиального различия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами. Гамма излучение было открыто французским ученым Полем Вилларом в 1900 году. Изучая излучение радия в сильном магнитном поле, Виллар обнаружил коротковолновое электромагнитное излучение, не отклоняющееся, как и свет, магнитным полем. Оно было названо гамма – излучением.
Аппарат, на борту которого находятся несколько инструментов для наблюдений в гамма-диапазоне, назван в честь итальянско-американского физика Энрико Ферми, и официально теперь именуется как Космический гамма-телескоп имени Ферми (Слайд 30). В настоящее время наиболее чувствительными приемниками света являются приборы с зарядовой связью (ПЗС – матрицы), позволяющие регистрировать отдельные кванты света (Слайд 33). Они представляют собой сложную систему полупроводников, в которых используется внутренний фотоэффект.
Вывод. Ещё недавно внеатмосферная астрономия была уделом мечтателей. Теперь она превратилась в развивающуюся отрасль науки. Результаты, полученные на космических телескопах, без малейшего преувеличения перевернули многие наши представления о Вселенной. При помощи современных телескопов астрономы наблюдают объекты, находящиеся на расстоянии около 15 млрд. световых лет, т.е. масштабы мира ”выросли” в 5 – 10 15 раз. Космические аппараты позволяют проводить исследования во всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения (радио, инфракрасный, оптический, ультрафиолетовый, рентгеновский и γ – лучах) – (Слайд34–35). Поэтому современную астрономию называют всеволновой наукой.
Закрепление изученного материала проводилось в форме самостоятельной и практической работ: решение задач по определению характеристик телескопов и тестирования.
Тест для закрепления.
1. Как собирается информация на современных телескопах?
А) Глазом; Б) Фотоплёнкой; В) ПЗС – матрицей; Г) Плёнкой.
2. Какое из перечисленных электромагнитных излучений имеет наибольшую длину волны?
А) Инфракрасное; Б) Видимое; В) Ультрафиолетовое; Г) Рентгеновское.
3. Термин “всеволновая астрономия” означает:
А) прозрачность земной атмосферы для всех волн электромагнитного излучения, приходящего из космоса;
Б) изучение небесных объектов во всем диапазоне шкалы электромагнитного спектра;
В) изучение невидимых диапазонов электромагнитного спектра у небесных светил.
4. Внесистемная единица, используемая для выражения плотности потока излучения в радиоастрономии:
А) Электрон-вольт; Б) Джоуль; В) 1 Ян.
5. Инфракрасное излучение впервые открыл:
А) Э.Хаббл; Б) Г. Галилей; В) В. Гершель; Г) А. Пензиас.
6. Какой вид электромагнитных волн имеет наименьшую частоту?
А) Рентгеновские; Б) Ультрафиолетовые; В) Инфракрасные; Г) Радиоволны.
7. Внесистемная единица, используемая для выражения плотности рентгеновского излучения от космических источников
А) Кило-ЭлектронВольт; Б) Джоуль; В) 1 Краб.
8. Какова разрешающая способность глаза?
А) 1 угловая секунда; Б) 1 угловая минута; В) 10 угловых минут; Д) 1 градус.
9. Чтобы уменьшить разрешающую силу телескопа, нужно:
А) Увеличить фокусное расстояние окуляра;
Б) Увеличить фокусное расстояние объектива; В) Увеличить диаметр объектива;
Д) Увеличить фокусное расстояние окуляра и диаметр объектива.
10. Исключите одно открытие, которое не было сделано Галилеем:
А) Горы на Луне; Б) Фазы Венеры; В) Атмосфера Венеры; Д) Спутники у Юпитера.
11. Преимуществом космических телескопов перед наземными является то, что…
А) у них меньше Масса;
Б) им не требуются источники энергии;
В) на них не влияют колебания атмосферы; Г) они не страдают от свечения атмосферы.
12. Солнце излучает большую часть электромагнитной энергии в…
А) радио – и ИК-диапазонах;
Б) ИК – и видимом диапазонах;
В) видимом и УФ-диапазонах;
Г) УФ– и рентгеновском диапазонах.
13. Электромагнитное излучение с длиной волны 550 нм в вакууме воспринимается как…
А)радиоволны; Б)инфракрасное излучение; В) видимый свет; Г)ультрафиолетовое излучение.
14. Использование ПЗС на телескопе позволяет увеличить…
А) фокусное расстояние; Б) увеличение; В) контраст изображения; Г) спектральный выход.
15. Некоторые радиоволны не достигают земной поверхности из-за…
А) солнечного ветра; Б) атмосферных явлений; В) недостатка разрешения; Г) ионосферы.
Ответы: 1В, 2А, 3Б, 4В, 5В, 6Г, 7В, 8Б, 9В, 10В, 11Г, 12Б, 13В, 14В, 15Г.