Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

Астрономія

Розділ 1. Основи практичної астрономії

Ви вивчатимите практичну астрономію — розділ, який присвячено способам визначення з астрономічних спостережень часу, небесних координат і азимутів; методам визначення координат небесних світил. Ці знання застосовують у геодезїї (геодезична астрономія), судноводінні (мореплавна астрономія) і літаководінні (авіаційна астрономія). Способи практичної астрономії розробляються методами сферичної астрономії і базуються на розв’язуванні паралактичного трикутника (полюс світу — зеніт місця спостереження — спостережуване світило) після вимірювання деяких його елементів. Низка задач практичної астрономії розв’язується шляхом спостережень штучних небесних тіл.

§ 1. Небесні світила та небесна сфера. Сузір'я

Небо над нами на відкритому місці простирається у вигляді купола. На ньому в безхмарну ніч сяють тисячі зір, і, здається, неможливо розібратися в цій величній зоряній картині. У давнину спостерігачі бачили на зоряному небі окремі поєднання яскравих зір і подумки уявляли їх у вигляді різних фігур. Щоб було легше орієнтуватися на зоряному небі, групам зір, або сузір’ям, люди давали назви тварин, птахів, різних предметів. У деяких фігурах давньогрецькі астрономи «бачили» міфічних героїв. У праці «Альмагест» давньогрецький астроном Клавдій Птолемей (бл. 87-165) згадує 48 сузір’їв. Це Велика Ведмедиця і Мала Ведмедиця, Дракон, Лебідь, Орел, Телець, Терези та ін.

Найпомітніші сузір’я в багатьох народів мали свої назви. Так, стародавні слов’яни Велику Ведмедицю уявляли у вигляді Лося або Оленя. Часто ківш Великої Ведмедиці представляли візком, звідси й назви цього сузір’я: Віз, Колісниця. Між Великою Ведмедицею й Малою Ведмедицею є сузір’я Дракона. За легендою, Дракон (Змій) викрадає юну красуню, а красуня ця — відома Полярна зоря.

Ще в III ст. до н. е. давньогрецькі астрономи звели назви сузір’їв у єдину систему, пов’язану з грецькою міфологією. Ці назви згодом запозичила європейська наука. Тому всі сузір’я, що містять яскраві зорі й видимі в середніх широтах Північної півкулі Землі, отримали імена героїв давньогрецьких міфів і легенд (наприклад, сузір’я Цефея, Андромеди, Пегаса, Персея). Їхні зображення можна знайти на давніх зоряних картах: Велика Ведмедиця й Мала Ведмедиця, небесний мисливець Оріон, голова зоряного бика — Тельця тощо. А сузір’я Кассіопеї названо на честь міфічної цариці (мал. 1.1).

Мал. 1.1

На сучасних астрономічних картах немає малюнків міфічних образів сузір’їв, але збережено їхні давні назви.

У XVI-XVIII ст. європейські астрономи назвали менш яскраві сузір’я. Усі сузір’я Південної півкулі (невидимі в Європі) отримали назви в епоху Великих географічних відкриттів, коли європейці почали освоювати Новий Світ (Америку).

Однак у різних країнах використовувалися різні карти сузір’їв. Виникла необхідність уніфікувати поділ зоряного неба. Остаточне число та межі сузір’їв було визначено на І з’їзді Міжнародного астрономічного союзу в 1922 р. Уся сферична поверхня зоряного неба була умовно поділена на 88 сузір’їв.

У наш час під сузір’ям розуміють ділянку зоряного неба з характерним спостережуваним угрупованням зір. Для полегшення запам’ятовування та пошуку сузір’їв у підручниках з астрономії і астрономічних атласах яскраві зорі, що утворюють сузір’я, сполучено умовними лініями. Сузір’я, зорі яких утворюють виділену на зоряному фоні конфігурацію, або ті, які містять яскраві зорі, належать до головних сузір’їв (мал. 1.2).

Мал. 1.2

Над горизонтом на ясному зоряному небі неозброєним оком можна побачити близько 3000 зір. Вони відрізняються своїм блиском: одні помітні відразу, інші ледь помітні. Тому ще в ІІ ст. до н. е. Гіппарх (190-126 до н. е.), один з основоположників астрономії, увів умовну шкалу зоряних величин. Найяскравіші зорі вважалися зорями 1-ї величини, слабші приблизно в 2,5 раза — зорями 2-ї зоряної величини, а найслабкіші, видимі тільки в безмісячну ніч, — зорями 6-ї величини.

Багатьом яскравим зорям давньогрецькі й арабські астрономи дали назви: Вега, Сіріус, Капела, Альтаїр, Ригель, Альдебаран тощо. Згодом яскраві зорі в сузір’ях стали позначати буквами грецького алфавіту в міру зменшення їхнього блиску.

З 1603 р. почала діяти система позначень зір, яку запропонував німецький астроном Йоганн Байєр (1572-1625). У цій системі назва зорі складалася з двох частин: назви сузір’я, якому належить зоря, і літери грецького алфавіту. Перша літера грецького алфавіту α відповідає найяскравішій зорі в сузір’ї, β — другій за блиском зорі і т. д. Наприклад, Регул — α Лева — це найяскравіша зоря в сузір’ї Лева, Денебола — β Лева — друга за блиском зоря в цьому сузір’ї.

З розвитком науки та винаходом телескопів кількість досліджуваних зір збільшувалася. Для їхнього позначення вже не вистачало літер грецького алфавіту. І тоді зорі почали позначати латинськими літерами. Коли закінчилися й вони, зорі стали позначати цифрами (наприклад, 61 Лебідь).

Спостерігаючи зоряне небо впродовж однієї-двох годин, переконуємося, що воно обертається як єдине ціле. Так, з одного боку зорі піднімаються, а з іншого — опускаються. Для жителів Північної півкулі зорі піднімаються зі східної частини горизонту й зміщуються праворуч. Далі вони досягають найвищого положення в південній частині неба, а потім опускаються в західній частині горизонту. Упродовж доби зоряне небо з усіма світилами, що перебувають на ньому, робить один оберт. Отже, видиме добове обертання зоряного неба відбувається зі сходу на захід, якщо стояти обличчям до півдня, тобто за годинниковою стрілкою. У північній частині неба можна відшукати Полярну зорю. Здається, що все небо обертається навколо неї.

Насправді навколо своєї осі обертається Земля із заходу на схід, а весь небосхил обертається у зворотному напрямку — зі сходу на захід. Полярна зоря для нашої місцевості залишається майже нерухомою на одній і тій самій висоті над горизонтом. Очевидно, що добовий рух зір (світил) — спостережуване явище обертання небесного схилу — відображає дійсне обертання земної кулі навколо осі.

Нам здається, що всі зорі розміщені на деякій кульовій поверхні небосхилу й однаково віддалені від спостерігача. Насправді вони перебувають на різних відстанях від нас. Вони величезні, тому око не може помітити цю відмінність. Тому уявлювану кульову поверхню стали називати небесною сферою.

Небесна сфера — це уявна сфера довільного радіуса, центр якої, залежно від розв’язуваного завдання, сполучається з тією або іншою точкою простору.

На малюнку 1.3 зображено небесну сферу: О — центр небесної сфери (місце знаходження спостерігача); PN — Північний полюс світу; PS — Південний полюс світу; PNPS — вісь світу (полярна вісь); Z — зеніт; Z' — надир; E — схід; W — захід; N — північ; S — південь; Q — верхня точка небесного екватора; Q' — нижня точка небесного екватора; ZZ' — вертикальна лінія; PNMPS — коло схилення; NS — полуденна лінія; M — світило на небесній сфері.

Мал. 1.3

Центр небесної сфери може бути обрано в місці спостереження (око спостерігача), у центрі Землі або Сонця тощо. Поняттям небесної сфери користуються для кутових вимірювань, для вивчення взаємного розміщення й руху космічних об’єктів на небі.

На поверхню небесної сфери проектуються видимі положення всіх світил, а для зручності вимірювань будують на ній ряд точок і ліній. Наприклад, деякі із зір «ковша» Великої Ведмедиці перебувають далеко одна від одної, але для земного спостерігача вони проектуються на ту саму ділянку небесної сфери (мал. 1.4).

Мал. 1.4

Прямовисна лінія (або вертикальнa лінія) — пряма, що проходить через центр небесної сфери і збігається з напрямком дії сили тяжіння в місці спостереження.

Прямовисна лінія перетинає небесну сферу в точках: зеніті (верхня точка перетину прямовисної лінії з небесною сферою) і надирі (точка небесної сфери, яка протилежна зеніту).

Площину, що проходить через центр небесної сфери перпендикулярно до прямовисної лінії, називають площиною дійсного, або математичного, гоpизонту.

Математичний горизонт ділить поверхню небесної сфери на дві половини: видиму для спостерігача, з вершиною в зеніті, і невидиму, з вершиною в надирі. Математичний горизонт не збігається з видимим горизонтом унаслідок нерівності поверхні Землі і у зв’язку з різною висотою точок спостереження, а також викривленням променів світла в атмосфері.

Вертикальне коло, або вертикал світила, — це велике коло небесної сфери, що проходить через зеніт, світило та надир.

Вісь світу — пряма, що проходить через центр небесної сфери паралельно осі обертання Землі, що перетинає небесну сферу у двох діаметрально протилежних точках. Точку перетину осі світу з небесною сферою, поблизу якої перебуває Полярна зоря, називають Північним полюсом світу, протилежну точку — Південним полюсом світу. Полярна зоря розміщена від Північного полюса світу на кутовій відстані близько 1° (точніше 44').

Велике коло, що проходить через центр небесної сфери і перпендикулярне до осі світу, називають небесним екватором. Воно ділить небесну сферу на дві частини: Північну півкулю з вершиною в Північному полюсі світу та Південну з вершиною в Південному полюсі світу.

Коло схилення світила — велике коло небесної сфери, що проходить через полюси світу і світило. Добова паралель — мале коло небесної сфери, площина якого перпендикулярна до осі світу.

Велике коло небесної сфери, що проходить через точки зеніту, надира й полюси світу, називають небесним меридіаном. Він перетинається зі справжнім горизонтом у двох діаметрально протилежних точках. Точку перетину справжнього горизонту й небесного меридіана, найближчу до Північного полюса світу, називають точкою півночі. Точку перетину справжнього горизонту й небесного меридіана, найближчу до Південного полюса світу, називають точкою півдня.

Лінію, що сполучає точки півночі й півдня, називають полуденною лінією. Вона лежить на площині справжнього горизонту. За напрямком полуденної лінії падають тіні від предметів опівдні.

З небесним екватором справжній горизонт також перетинається у двох діаметрально протилежних точках — точці сходу і точці заходу. Для спостерігача, що перебуває в центрі небесної сфери обличчям до точки півночі, точка сходу буде розміщена праворуч, а точка заходу — ліворуч. Пам’ятаючи це, легко орієнтуватися на місцевості.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що розуміють під сузір’ям?
  • 2. На яку кількість сузір’їв розділено небесну сферу?
  • 3. Як сузір’я одержали свої назви?
  • 4. Що розуміють під небесною сферою?
  • 5. Дайте означення основних точок, ліній і площин небесної сфери.

Підготуйте мультимедійну презентацію на тему «Міфи і легенди зоряного неба» та презентуйте її класу.