Астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Пришляк

Зоряне небо та рухи світил

Тема. Зоряне небо

Небесні світила і небесна сфера. Під час спостережень за зорями нам здається, що всі небесні світила розташовані на деякій уявній сферичній поверхні неба й однаково віддалені від спостерігача. Насправді вони розташовані на різних відстанях від Землі. Тому уявну поверхню небосхилу почали називати небесною сферою.

Сузір’я. Відстані в космічному просторі такі великі, що вимірювати їх у звичайних для нас кілометрах незручно, тому астрономи вибрали одиницями вимірювання астрономічну одиницю та світловий рік.

За межами Сонячної системи, на відстані понад 100000 а. о., починається зона тяжіння інших зір. Неозброєним оком на небі можна побачити близько 6000 зір, які утворюють сузір’я. Насправді зір набагато більше, але від далеких світил надходить так мало світла, що їх можна спостерігати тільки в телескоп. Великі скупчення зір, що утримуються силою тяжіння, називають галактиками.

Деякі відомі сузір’я містять добре помітні фігури, складені яскравими зорями, які легко впізнати. Наприклад, Велика Ведмедиця (контур ковша), Оріон (фігура мисливця), Лев (контур лежачого лева), Скорпіон. Інші сузір’я не мають таких визначених контурів і містять менш яскраві зорі. Розподіл зір між сузір’ями довільний, і різні культури виділяють на небі різні сузір’я. Однак декілька найпомітніших контурів, складених яскравими зорями, виділяються більшістю культур, хоча зазвичай вони отримують різні назви. Таким є сузір’я Оріон (рис. 1.1).

Як сузір’я отримали свої назви. Нині Міжнародна асоціація астрономів визначає 88 сузір’їв, що розподілені у північній та південній півсферах. Але історія визначення та упорядкування сузір’їв налічує тисячоліття.

Давні спостерігачі бачили на зоряному небі окремі поєднання зір і візуально об’єднували їх у різноманітні фігури. Для того щоб було легше орієнтуватися за зоряним небом, групам зір (сузір’ям) люди почали давати назви тварин, птахів, різних предметів, а згодом — імена міфічних героїв та істот.

У III ст. до н.е. давньогрецькі астрономи вперше звели назви сузір’їв північної півсфери в єдину систему, основою якої була міфологія. Згодом ці назви перейняла європейська наука. Тож, усі сузір’я, що містять яскраві зорі та є видимими в середніх широтах північної півсфери Землі, й понині зберегли імена героїв античних легенд і міфів (наприклад, Андромеди, Пегаса, Персея, Геркулеса та ін.). Також найвідомішими сузір’ями Північної півсфери є Велика Ведмедиця, Близнята, Лебідь, Овен, Телець. На старовинних зоряних картах навіть можна знайти їхні зображення. Яскравим прикладом цього може слугувати славнозвісний атлас сузір’їв «Уранографія», укладений польським астрономом XVII ст. Яном Гевелієм. На сучасних астрономічних картах немає зображень міфічних образів сузір’їв, але збережені їхні давні назви.

Небесна сфера — це уявна сфера довільного радіуса, центр якої в залежності від завдання, що вирішується, поєднується з тією чи іншою точкою простору. Центр небесної сфери може бути обраний в місці спостереження (око спостерігача), у центрі Землі або будь-якій точці простору

Сузір'я — ділянки небесної сфери, на які поділені окремі групи зір для зручності орієнтування

Рис. 1.1. Оріон — найяскравіше сузір'я північної сфери

Астрономічна одиниця (а. о.) — середня відстань між центрами Землі та Сонця.

1 а. о. ≈ 150 • 10⁶км

Світловий рік (св. рік) — відстань, яку проходить світловий промінь за 1 рік, рухаючись зі швидкістю 300 000 км/с.

1 св. рік ≈ 10¹³км

Ян Гевелій

Сузір’я південної півсфери (які не можна побачити в Європі) отримали назви в епоху Великих географічних відкриттів. Серед них можна зустріти такі назви, як Киль, Компас, Вітрила, Телескоп, Наугольник, Октант; а також чимало південних сузір’їв присвячені тваринам: Вовк, Заєць, Павич, Голуб, Золота Риба та ін.

Для допитливих

Цікаво, що саме поява на небосхилі певного сузір’я зумовила визначення найулюбленішого для всіх школярів часу — літніх канікул.

У Давньому Римі період найбільшої літньої спеки (з 22 липня до 23 серпня) збігався із початком вранішньої видимості зорі Сіріуса, що звалася Canicula (тобто «маленький собака»). Цей час був обраний римлянами для тривалого відпочинку від праці та навчання.

Система, за якою зорям дають назви. Багатьом яскравим зорям назви дали ще давньогрецькі та арабські астрономи: Ригель, Альдебаран, Капелла, Альтаїр, Сіріус, Вега та ін. Пізніше яскраві зорі в сузір’ях стали позначати літерами грецького алфавіту, зазвичай у міру зменшення їхнього блиску.

З 1603 р. діє система позначення зір, запропонована німецьким астрономом Йоганном Байером. У системі Байєра назва зорі складається з двох частин: назви сузір’я, до якого належить зоря, та літери грецького алфавіту. Причому його першою літерою а позначають найяскравішу зорю в сузір’ї, β — другу за блиском зорю і т. д.

Рис. 1.2. Сузір'я Велика Ведмедиця

1. α — Дубхе («Ведмідь»);

2. β — Мера к («Поперек»);

3. γ — Фекда («Стегно»);

4. δ — Мегрез («Початок хвоста»);

5. ε — Аліот (скоріше за все перекладається як «курдюк»);

6. ζ — Мізар («Стегнова пов'язка»);

7. η — Алькайд / Бенетнаш (означає «Провідник плакальниць»)

Після винайдення телескопів кількість досліджуваних зір збільшилася. Для їх позначення вже не вистачало літер грецького алфавіту, тому зорі почали позначати латинськими літерами. А коли скінчилися й вони, до системи позначення ввели й цифри (наприклад, 61 Лебідь).

Розгляньте сузір’я Великої Ведмедиці (рис. 1.2), відоме з давніх часів у багатьох народів під різними назвами: Великий Ківш, Коромисло, Плуг, Лось, Візок, Сім Мудреців та ін. Усі зорі цього сузір’я мають власні імена арабського походження.

Рис. 1.3. Орбіта Землі та зодіак. Площина, у якій обертається Земля навколо Сонця, залишається сталою відносно зір. Лінія перетину площини орбіти Землі з уявною небесною сферою має назву екліптика.

12 сузір'їв, які перетинає екліптика, називають зодіакальними

Сонячний час та зодіак. Слово зодіак (від грец.— коло із зображень тварин) уперше почали вживати для визначення особливих сузір’їв ще кілька тисяч років тому. Ця назва пов’язана з тим, що Сонце, Місяць і планети Сонячної системи можна спостерігати на тлі 12 зодіакальних сузір’їв, які утворюють на небесній сфері велике коло, і серед назв цих сузір’їв переважають назви живих істот.

На рис. 1.3 зображено орбіту Землі, далекі сузір’я та через кожні 30 проведені лінії, які позначають положення нашої планети відносно зір через кожний місяць. Таким чином, ми можемо позначати рух Землі по орбіті та відраховувати великі проміжки часу.

За початок відліку руху Землі візьмемо точку весняного рівнодення. Якщо 21 березня з’єднати Землю і Сонце прямою лінією та продовжити її у космос, то ця пряма десь у далечині перетинає уявну небесну сферу у двох діаметрально протилежних точках, одна з яких розташована в сузір’ї Діви (з боку Землі), а інша — у сузір’ї Риб (за Сонцем).

У березні сузір’я Риб не видно, адже воно перебуває за Сонцем. Астрономи цей момент описують так: «21 березня Сонце розташоване у напрямку сузір’я Риб у точці весняного рівнодення».

Рухаючись разом із Землею по орбіті, ми протягом року спостерігатимемо Сонце в різних напрямках на тлі різних сузір’їв. Якщо кожного дня позначати положення центра Сонця відносно далеких зір, то можна отримати велике коло небесної сфери, яке називається екліптикою (від грец.— затемнення). Математичне визначення екліптики — це лінія перетину площини орбіти Землі з небесною сферою, тобто площина екліптики збігається з площиною орбіти Землі.

Площина екліптики протягом століть займає стале положення відносно зір, але полюси світу поступово зміщуються у космічному просторі — це явище називають прецесією (від лат.— випередження, рис. 1.4). Вісь обертання Землі описує у космосі конус із періодом 26 000 років. І якщо в наш час Північний полюс світу розташований у сузір’ї Малої Ведмедиці, то через 13 000 років він переміститься у сузір’я Ліри, і наші нащадки будуть визначати напрямок на північ за допомогою зорі Вега. Внаслідок прецесії змінюється також положення площини небесного екватора серед зір, тому в майбутньому в Україні не буде видно сузір’я Оріон, зате наші нащадки побачать найближчу до нас зорю Проксиму Кентавра.

Зодіак

Прецесія — зміщення осі обертання Землі відносно зір. Вісь Землі описує в космосі конус із періодом 26000 років

Рис. 1.4. Явище прецесії демонструє дитяча дзиґа, що обертається навколо власної осі, у той час як її вісь описує конус у просторі

Для допитливих

Здебільшого українські назви сузір’їв є перекладами грецьких або латинських назв. Але щодо окремих сузір’їв вживаються і народні назви. Так, Велика Ведмедиця — це Великий Віз, Мала Ведмедиця — Малий Віз, Кассіопея — Борона, або Пасіка, Дельфін — Криниця, пояс Оріона — Косарі, Орел — Дівчина з відрами, а зоряне скупчення Плеяди — Стожари, Чумацький Шлях.

Рис. 1.5. Площина математичного горизонту є перпендикулярною до прямовисної лінії

Орієнтування на місцевості

У повсякденному житті для визначення напрямку ми використовуємо орієнтири, які нам добре знайомі,— будинки, дороги, ріки тощо. Якщо ми потрапляємо в незнайому місцевість, то наші звичні орієнтири зникають, і ми можемо заблукати. У цьому випадку надійними орієнтирами можуть бути небесні світила, адже вони нам світять і вдома, і на чужині.

Для орієнтування на поверхні Землі астрономи застосовують терміни прямовисна лінія та горизонт. Напрямок прямовисної лінії задається силою тяжіння Землі в точці спостереження. Його можна визначити за допомогою звичайного виска-тягарця, який підвішують на нитці. Припустимо, що спостерігач перебуває на поверхні Землі в точці О, яка має географічну широту φ (рис. 1.5). Напрямок ОО₁ по виску вниз називають надиром, протилежний напрямок ΟΖ, угору, — зенітом. Зараз горизонт визначають як площину, яка є перпендикулярною до прямовисної лінії.

Обрій, або лінія перетину площини горизонту з небесною сферою, буде колом, у центрі якого перебуває спостерігач. На горизонті розрізняють чотири точки: N — північ, S — південь, Е — схід, W — захід, за допомогою яких люди орієнтуються і визначають напрямки під час мандрівок (рис. 1.6).

Унаслідок обертання Землі навколо осі площини меридіана та горизонту протягом доби зміщуються у просторі щодо зір, але нам на поверхні Землі здається, що все відбувається навпаки — небесні світила рухаються щодо горизонту. Ми кажемо, що Сонце сходить, коли воно з’являється над обрієм на сході. Потім Сонце піднімається все вище і вище й опівдні займає найбільшу висоту над горизонтом. Цей момент астрономи називають верхньою кульмінацією (від лат. — вершина). Верхня кульмінація настає у той момент, коли Сонце перетинає площину меридіана і розташовується над точкою півдня.

Рис. 1.6. Уночі надійним орієнтиром може бути Полярна зоря P₁, на яку спрямована вісь обертання Землі. Якщо дивитися на Полярну зорю, то попереду буде напрямок на північ, позаду — південь, праворуч — схід, ліворуч — захід. Точка Q — кульмінація Сонця

Кульмінація — перетин світилами небесного меридіана внаслідок добового обертання Землі навколо осі

Момент верхньої кульмінації Сонця можна визначити за допомогою палички, яку треба встановити перпендикулярно до горизонту (рис. 1.7). Для визначення кульмінації уважно слідкуйте за довжиною тіні: коли Сонце розташоване над точкою півдня, тінь указує напрямок на північ і має найменшу довжину.

Тільки в березні та вересні Сонце сходить поблизу точки сходу, а заходить біля точки заходу. Влітку Сонце сходить на північному сході, а заходить на північному заході. Узимку Сонце сходить на південному сході, а заходить на південному заході.

Рис. 1.7. Опівдні тінь від палички спрямована на північ

Деякі зорі на наших широтах ніколи не заходять, тому на небі ми можемо побачити не тільки верхню, а й нижню кульмінацію, коли світило перебуває найнижче над горизонтом (дивись рухому карту зоряного неба, на звороті якої є інструкція, як визначати момент кульмінації зір).

Найяскравіші зорі

Назва	Сузір’я	Відстань (св. р.)	Видима зоряна величина (m)
Сіріус	Великий Пес	8,6	- 1,47
α Кентавра	Кентавр	4,3	- 0,27
Арктур	Волопас	36,7	- 0,04
Вега	Ліра	25	+ 0,03
Капелла	Візничий	42,2	+ 0,08
Рігель	Оріон	870	+ 0,12
Проціон	Малий Пес	11,4	+ 0,38
Бетельгейзе	Оріон	530	+ 0,50
Альтаїр	Орел	16,8	+ 0,75
Альдебаран	Телець	65	+ 0,85
Антарес	Скорпіон	610	+ 1,09
Поллукс	Близнята	33,7	+ 1,15
Денеб	Лебідь	1550	+ 1,25
Регул	Лев	69	+ 1,35

Контрольні запитання

• 1. Дайте визначення небесної сфери.
• 2. На яку кількість сузір’їв розділена небесна сфера?
• 3. Звідки походить слово «зодіак»?
• 4. Територію скількох сузір’їв проходить Сонце протягом року?
• 5. Назвіть одиниці вимірювання відстаней в космічному просторі. Дайте визначення.
• 6. Дайте математичне визначення екліптики.
• 7. Як визначається точка зеніту?
• 8. За який час після верхньої кульмінації Сонця за зоряним годинником наступає його нижня кульмінація?
• 9. Якими були б екліптичні сузір’я, якби площина орбіти Землі змінилась і стала ю перпендикулярною до осі її обертання.

Практичні роботи

• Спостереження зоряного неба.
• Орієнтування по Сонцю, фазах Місяця, сузір’ях та Полярною зорею на місцевості і за часом.