Підручник з Астрономії. 11 клас. Сиротюк - Нова програма

Розділ 2. МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ АСТРОНОМІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Вивчаючи матеріал цього розділу, ви ознайомитеся з будовою і призначенням телескопів, дізнаєтеся про діапазони електромагнітного спектра, приймачі випромінювання, найвідоміші детектори нейтрино та гравітаційних хвиль, провідні астрономічні обсерваторії України та світу. Навчитеся пояснювати вплив атмосфери на астрономічні спостереження, принцип дії оптичного телескопа, відмінності між оптичними телескопами та радіотелескопами, особливості реєстрації випромінювання небесних тіл.

§ 9. ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НЕБЕСНИХ ТІЛ

1. Випромінювання небесних тіл. У дослідженні природи небесних тіл велику увагу приділяють вивченню їхнього електромагнітного випромінювання. Небесні тіла, залежно від свого фізичного стану, випромінюють електромагнітні хвилі різної довжини.

У вакуумі електромагнітні хвилі завжди поширюються з однаковою для всіх видів випромінювання швидкістю с = 3 • 108 м/с.

Дуже важливою властивістю електромагнітного випромінювання є те, що швидкість його поширення не залежить від довжини хвилі, від швидкості руху джерела. Хвилі характеризуються частотою ν і довжиною λ, між якими існує залежність: с = νλ. Електромагнітні хвилі, що мають різну довжину хвилі, взаємодіють з речовиною по-різному. Відповідно методи дослідження електромагнітного випромінювання відрізняються. У зв’язку із цим електромагнітне випромінювання умовно ділиться на кілька діапазонів (табл. 2.1).

Таблиця 2.1

Діапазони електромагнітного випромінювання

Діапазони

Довжина хвилі, λ

Радіохвилі

більше ніж 1 мм

Інфрачервоні промені

від 760 нм до 1 мм

Видимі промені

від 390 до 760 нм

Ультрафіолетові промені

від 10 до 390 нм

Рентгенівські промені

від 0,01 до 10 нм

Гамма-промені

менше ніж 0,01 нм

Випромінювання довжиною хвилі від 390 до 760 нм людське око сприймає як світло, причому різним довжинам хвиль відповідають різні кольори (від фіолетового до червоного). Для виявлення випромінювання в інших діапазонах потрібні спеціальні прилади.

Залежно від свого фізичного стану, одні небесні тіла випромінюють енергію у вузьких інтервалах частот спектра електромагнітних хвиль (наприклад, світлі газові туманності), інші - в усьому його діапазоні: від γ-променів до радіохвиль включно (наприклад, зорі). Вивчення фізичної природи небесних тіл у широкому діапазоні електромагнітного випромінювання привело до появи в науці таких розділів, як: γ-астрономія, рентгенівська астрономія, інфрачервона астрономія, радіоастрономія тощо.

Вивчення електромагнітних хвиль, що випромінюють небесні тіла, ускладнюється тим, що атмосфера Землі пропускає випромінювання лише в певних діапазонах довжин хвиль: від 300 до 1000 нм, від 1 см до 20 м і в кілька «вікон» інфрачервоного діапазону. Випромінювання, що доходить до поверхні Землі, досліджують за допомогою оптичних телескопів (видиме світло) і радіотелескопів.

Кисень, озон, вуглекислий газ і водяна пара - чотири компоненти атмосфери, які спричиняють поглинання випромінювання. Поглинання залежить від довжини хвилі електромагнітного випромінювання. На малюнку 2.1 представлено криву прозорості атмосфери в діапазоні λ = 0-22 мкм, з якої видно, що майже половина спектрального діапазону виявляється абсолютно непридатною для дослідження, оскільки відповідне випромінювання не може пройти через атмосферу.

Мал. 2.1. Крива прозорості атмосфери в діапазоні довжин хвиль від 0 до 22 мкм

Сильніше атмосфера поглинає короткохвильову частину діапазону електромагнітного випромінювання: ультрафіолетові, рентгенівські та γ-промені. Спостереження в цих діапазонах можливі тільки за допомогою приладів, піднятих на велику висоту (на літаках або зондах) або встановлених на космічних станціях-лабораторіях, комплексах, штучних супутниках Землі, орбітальних обсерваторіях.

2. Приймачі випромінювання. Випромінювання, яке зібрав об’єктив телескопа, реєструється та аналізується приймачем випромінювання. Протягом перших двох з половиною століть з початку телескопічної ери єдиним приймачем випромінювання слугувало людське око. Однак це не тільки не дуже чутливий, але й досить суб’єктивний приймач випромінювання.

Із середини XIX ст. в астрономії стали широко застосовуватися фотографічні методи. Фотографічний матеріал (фотопластинки, фотоплівки) має багато переваг порівняно з людським оком. Фотоемульсія здатна накопичувати енергію, що на неї падає, тобто, збільшуючи витримку на негативі, можна зібрати більше світла.

Фотографія дає змогу документувати події, тому що негативи можуть зберігатися протягом тривалого часу. Фотопластинки мають панорамність, тобто можуть одночасно і точно фіксувати безліч об’єктів.

Найбільші сучасні телескопи управляються комп’ютерами (та іншою електронною технікою), а отримані зображення космічних об’єктів фіксуються у формі, що обробляється комп’ютерними програмами. Фотографія майже вийшла з використання. В останні десятиліття широко застосовують фотоелектричні приймачі випромінювання, відомості від яких передаються безпосередньо на електронний обчислювальний пристрій - комп’ютер. До таких приладів належать ПЗЗ-матриці (прилади із зарядовим зв’язком). ПЗЗ-матриця - це інтегральна схема, розміщена на напівпровідниковому матеріалі, що перетворює світлову енергію випромінювання в енергію електричного струму. Сила струму пропорційна інтенсивності світлового потоку.

Комп’ютерна обробка зображення дає змогу позбутися перешкод і фону, створюваних розсіюванням світла в атмосфері Землі та турбулентністю її атмосфери.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що розуміють під пропускною здатністю атмосфери Землі?
  • 2. Які види електромагнітних хвиль випромінюють небесні тіла? На які діапазони ділиться весь спектр електромагнітного випромінювання?
  • 3. Як земна атмосфера впливає на проходження різних видів випромінювання до поверхні Землі?
  • 4. Чому з поверхні Землі не можна вивчати небесні об’єкти в усіх діапазонах електромагнітного випромінювання?