Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

Розділ 3. Методи та засоби фізичних і астрономічних досліджень

В астрономії, як і в будь-якій науці, проводять наукові дослідження, щоб розкрити сутність усіх процесів і явищ, які відбуваються у Всесвіті. Для цьго потрібно знати астрономічні та фізичні величини, а саме фотометричні величини, які ви вивчали у фізиці в § 36. У зв’язку з тим, що небесні тіла перебувають на значних відстанях від Землі, використовують метод визначення їхньої будови і складу за допомогою спектрального аналізу, про що ви дізналися в § 40. У цьому розділі ви ознайомитеся з іншими методами та засобами астрономічних досліджень.

§ 15. Дослідження електромагнітного 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 c = 3 ·108 м/с.

Дуже важливою властивістю електромагнітного випромінювання є те, що швидкість його поширення не залежить від довжини хвилі і від швидкості руху джерела. Хвилі характеризуються частотою ν і довжиною λ, між якими існує залежність: c = 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. 3.1).

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: γ-астрономії, рентгенівської астрономії, інфрачервоної астрономії, радіоастрономії тощо.

Таблиця 3.1

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

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.

Коли пропускна здатність дорівнює нулю, то це означає, що електромагнітне випромінювання з такою довжиною електромагнітної хвилі не сягає поверхні Землі, тобто цілком поглинається атмосферою. Кисень, озон, вуглекислий газ і водяна пара — чотири компоненти атмосфери, які головним чином спричиняють поглинання випромінювання. Поглинання залежить від довжини хвилі електромагнітного випромінювання. На малюнку 3.1 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. 3.1

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.

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 можливо вивчати небесні об’єкти в усіх діапазонах електромагнітного випромінювання?

РОБОТА У ГРУПАХ

Запропонуйте власні методи дослідження електромагнітного випромінювання небесних тіл.