Методы и приборы для изучения вселенной

gn="justify">В настоящее  время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми  теориями: Общей теорией относительности  и Стандартной Моделью элементарных частиц. Их объединения пока достичь  не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации.

В научном  мире, среди учёных существует точка  зрения, что Вселенная никогда  не возникала, а существовала вечно  и будет существовать вечно, изменяясь  лишь в своих формах и проявлениях.

Многие  полагают, что уже на самых ранних стадиях эволюции Вселенной существовали незначительные отклонения от однородности и изотропии, которые привели  в конце концов к образованию  наблюдаемой сейчас пространственной структуры в виде галактик и их скоплений:

со второй половины 20 столетия начинается эра  космических исследований .Подтвердились  теории о распределении вещества во Вселенной (в Метагалактике), 95 % которого приходится на "таинственные" темные энергию и темную материю. Создаются новые теории(струнная, петлевая и М-теория) и основанные на них модели Вселенной – бесконечной в пространстве и времени.

Построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия.

Эти и  ряд других открытий создали базу для новых ,в том числе интуитивных, идей о строении и свойствах Вселенной  – такой какая она есть, была и будет вечно,основе всего сущего, в том числе звездно- планетарных  миров, эволюционирующих и преходящих.

 

2. МЕТОДЫ  ИЗУЧЕНИЯ

Наука, изучающая мегамир, называется астрономией. Астрономия – составная часть естествознания. Она является самой древней из естественных наук. Из потребностей астрономии возникла математика. Астрономия стимулировала появление физики. Так, астроном Г.Галилей является основоположником механики. С другой стороны в XIX веке физические методы исследования проникли в астрономию, и возникла симбиотическая наука – астрофизика, которая изучает физические свойства космических тел. В настоящее время Вселенную изучают представители разных наук.

Самым общим понятием, охватывающим весь материальный мир, является понятие "Вселенная". Наблюдаемая область Вселенной  называется Метагалактикой

В настоящее  время радиус Метагалактики равен 10 миллиардов световых лет, то есть расстоянию, которое электромагнитные волны  проходят за 10 миллиардов лет (скорость света 300000 км/с).

Основные  сведения о мегамире могут быть получены двумя путями: экспериментальным  и теоретическим.

Последний подход не является полностью независимым, так как любая теоретическая  модель опирается на экспериментальные  факты, а вот для ее исследования используют более подробный математический аппарат. Экспериментальное изучение космических объектов и  всего мирового пространства базируется также на двух основах: непосредственное исследование свойств объектов при помощи лабораторного оборудования и наблюдение объекта, то есть исследование его электромагнитного излучения. Контактное (лабораторное) исследование вещества космических тел не является чем-то исключительным. В лабораториях Земли исследовались горные породы с Луны, доставленные пилотируемыми аппаратами "Аполлон" и автоматическими станциями "Луна-16" и "Луна-20", многочисленные метеориты, по современным воззрениям являющиеся обломками астероидов. Контактное изучение при помощи соответствующей аппаратуры проводились на поверхностях Луны, Венеры, Марса. Многочисленные искусственные научные спутники и автоматические межпланетные станции непосредственно изучали при помощи приборов физические свойства околоземного и межпланетного пространства. Этот метод исследования будет расширяться, ему будут доступны для изучения другие планеты Солнечной системы и многочисленные спутники этих планет.

основной  метод исследования объектов мегамира – изучение их электромагнитного излучения. Это обусловлено тем, что контактное исследование неприменимо для раскаленных объектов (звезд). К тому же объекты, более удаленные от Земли, чем тела Солнечной системы, очевидно, останутся и в настоящем и в будущем недоступными  для контактного исследования.

Изучение  Вселенной началось и продолжается в  течение нескольких тысячелетий; вплоть до середины XX века, это происходило  почти исключительно  оптическими методами.

Первые  астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими; изучалось  только расположение светил и их видимое  движение на небесной сфере.

Такие наблюдения с использованием угломерных инструментов позволили сформулировать первые научные модели мира – Птолемея и Коперника. Сейчас астрономы научились  определять расстояния, как до тел  Солнечной системы, так и более  удаленных объектов: звезд и галактик. Тем самым удалось представить  геометрическую структуру мира.

Оптические  наблюдения и в настоящее время  не потеряли своего значения.

Так, радиоволны принесли информацию об активных галактиках, о строении ядер галактик, в том  числе и нашей Галактики, тогда  как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается  космической пылью.

Наблюдения  в других спектральных диапазонах позволили  сделать важные открытия. Наблюдения в рентгеновском и g-диапазонах позволяли  исследовать космические объекты  на поздних стадиях их жизни (пульсары, черные дыры и т.д.).

Приборы для собирания и исследования космического электромагнитного излучения  называются телескопами. Главной частью телескопа является объектив, который  воспринимает поток излучения. Данная физическая величина прямо пропорциональна  квадрату диаметра объектива телескопа  и, следовательно, во много раз больше потока регистрируемого человеческим глазом. В зависимости от диапазона  регистрируемого космического излучения  телескопы могут быть оптическими, радиотелескопами, рентгеновскими, g-телескопами  и т.д.

 

3. ПРИБОРЫ ДЛЯ  ИЗУЧЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

§1. Наземные

Первым  астрономическим инструментом можно  считать вертикальный шест, закрепленный на горизонтальной площадке, – гномон, позволявший определять высоту Солнца, многих столетий. Зная длину гномона и тени, можно определить не только высоту Солнца над горизонтом, но и направление меридиана, устанавливать дни наступления весеннего и осеннего равноденствий и зимнего и летнего солнцестояний.

К старинным  угломерным инструментам принадлежат  и квадранты. В простейшем варианте квадрант – плоская доска в форме четверти круга, разделенного на градусы. Около центра этого круга вращается подвижная линейка с двумя диоптрами.

Широкое распространение в древней астрономии получили армиллярные сферы – модели небесной сферы с ее важнейшими точками и кругами: полюсами и осью мира, меридианом, горизонтом, небесным экватором и эклиптикой. В конце XVI в. лучшие по точности и изяществу астрономические инструменты изготовлял датский астроном Т.

Браге. Его армиллярные сферы были приспособлены  для измерения как горизонтальных, так и экваториальных координат  светил.

Коренной  переворот в методах астрономических  наблюдений произошел в 1609 г., когда  итальянский ученый Г. Галилей применил для обозрения неба зрительную трубу  и сделал первые телескопические  наблюдения

Первые  телескопы были еще крайне несовершенны, давали нечеткое изображение, окрашенное радужным ореолом. Избавиться от недостатков  пытались, увеличивая длину телескопов. Так появились огромные инструменты, вроде того, который в 1664 г. был  построен во Франции А. Озу. Этот телескоп имел длину 98 м и в этом отношении  остался чемпионом и доныне. Однако наиболее эффективными и удобными оказались ахроматические телескопы-рефракторы, которые начали изготовляться в середине 18 века Д. Доллондом в Англии. В 1668 г.И. Ньютон построил телескоп-рефлектор, который был свободен от многих оптических недостатков, свойственных рефракторам.

Позже совершенствованием этой системы телескопов занимались М.В. Ломоносов и В. Гершель.

В XX в. получили распространение зеркально-линзовые телескопы, конструкции которых  были разработаны немецким оптиком  Б. Шмидтом (1931) и советским оптиком  Д.Д. Максутовым (1941).

В 1974 г. закончилось строительство самого большого в мире советского зеркального  телескопа с диаметром зеркала 6 м.

Этот  телескоп установлен на Кавказе в  Специальной астрофизической обсерватории. Возможности этого инструмента  огромны. Уже опыт первых наблюдений показал, что этому телескопу  доступны объекты 25-й звездной величины, т.е. в миллионы раз более слабые, чем те, которые наблюдал Галилей  в свой телескоп.

К числу  астрономических инструментов относятся  универсальный инструмент – теодолит; меридианный круг, используемый для составления точных каталогов положений звезд;

Созданы инструменты, позволяющие вести  наблюдения небесных тел в различных  диапазонах электромагнитного излучения, в том числе и в невидимом  диапазоне. Это радиотелескопы и  Вингерферометры, а также инструменты, применяемые в рентгеновской  астрономии, гаммастрономии, инфракрасной астрономии.

Для наблюдений некоторых астрономических объектов разработаны специальные конструкции  инструментов. Таковы солнечный телескоп, коронограф (для наблюдений солнечной  короны), кометоискатель, метеорный  патруль, спутниковая фотографическая камера (для фотографических наблюдений спутников) и многие другие.

Для фотографических  наблюдений используются астрографы. Для астрофизических исследований нужны телескопы со специальными приспособлениями, предназначенными для  спектральных (объективная призма, астроспектрограф), фотометрических (астрофотометр), поляриметрических и других наблюдений.

Повысить  проницающую силу телескопа удается  путем применения в наблюдениях  телевизионной техники – телевизионного телескопа, а также фотоэлектронных умножителей.

Важный  прибор, необходимый для наблюдений – астрономические часы.

В настоящее  время применяются три основных типа оптических телескопов: линзовые телескопы, или рефракторы, зеркальные телескопы, или рефлекторы, и смешанные, зеркально-линзовые системы. Мощность телескопа непосредственно зависит  от геометрических размеров его объектива  или зеркала, собирающего свет. Поэтому  в последнее время все большее  применение получают телескопы-рефлекторы, так как по техническим условиям возможно изготовление зеркал значительно  больших диаметров, чем оптических линз.

Современная техника позволила создать целый  ряд приспособлений и устройств, намного расширивших возможности  астрономических наблюдений: телевизионные  телескопы дают возможность получать на экране четкие изображения планет, электронно-оптические преобразователи  позволяют вести наблюдения в  невидимых инфракрасных лучах, в  телескопах с автоматической корректировкой компенсируется влияние атмосферных  помех. В последние годы все более  широкое распространение получают новые приемники космического излучения – радиотелескопы, позволяющие заглянуть в недра Вселенной намного дальше, чем самые мощные оптические системы.

Существенно обогатила наши представления о  Вселенной радиоастрономия, зародившаяся в начале 30-х гг. нашего столетия.

Существует  также целый ряд астрономических  инструментов, имеющих специфическое  назначение и применяемых для  определенных исследований. К числу  подобных инструментов относится, например, солнечный башенный телескоп, построенный  советскими учеными и установленный  в Крымской астрофизической обсерватории.

Астрономические инструменты для наблюдений устанавливают  на астрономических обсерваториях. Для строительства обсерваторий выбирают места с хорошим астрономическим  климатом, где достаточно велико количество ночей с ясным небом, где атмосферные  условия благоприятствуют получению  хороших изображений небесных светил в телескопах. Как правило, такие  места находят в горах. Атмосфера  Земли создает существенные помехи при астрономических наблюдениях. Постоянное движение воздушных масс размывает, портит изображение небесных тел, поэтому в наземных условиях приходится применять телескопы  с ограниченным увеличением (не более  чем в несколько сотен раз). Из-за поглощения земной атмосферой ультрафиолетовых и большей части длинных волн инфракрасного излучения теряется огромное количество информации об объектах, являющихся источниками этих излучений. На вершинах гор воздух чище, спокойнее, и поэтому условия для изучения Вселенной там более благоприятные.