Проблемы измерения в астрономии

Содержание

• Введение
• Глава 1. Определение размеров, форм небесных тел и расстояний до них
  • 1. 1. Небесные координаты
  • 1. 2. Определение радиуса Земли. Триангуляция
  • 1. 3. Размеры и форма Земли
  • 1. 4. Определение расстояний до небесных тел
• Глава 2. Измерение времени
  • 2. 1. Звездные и солнечные сутки
  • 2. 2. Уравнение времени
  • 2. 3. Местное солнечное и звездное время
• Глава 3. Измерение астрономических единиц
  • 3. 1. Определение суточного и годичного параллаксов из наблюдений
  • 3. 2. Определение параллакса Солнца
  • 3. 3. Определение размеров и формы светил
• Заключение
• Литература

Современная астрономия переживает эпоху стремительного развития, и на вторую половину XX в. пришлась очередная революция в этой науке. В результате этой революции астрономия превратилась во всеволновую, достигла высокой разрешающей способности благодаря использованию межконтинентальных радиоинтерферометров.

Получили развитие новые методы регистрации космического излучения всех видов, всех энергий, как с Земли, так и за ее пределами. Произошел информационный взрыв. При этом общий центр тяжести всей астрономии сдвинулся в сторону более глубокого понимания эволюции, как отдельных объектов, так и всей Вселенной в целом.

Этот сдвиг, естественно, находит свое отражение в той роли, какую астрономия играет в обществе, — астрономические знания всегда лежали в основе мировоззрения людей.

Член-корреспондент АН РФ И. С. Шкловский говорит, что «современная астрономия стала насквозь эволюционной. Этим она отличается от физики, законы которой, выражающие основные свойства элементарных частиц и полей, вечны, т. е. не зависят от времени… Принципиально эволюционный характер астрономии роднит ее с другими науками о природе — биологией и геологией».

Ясно, что при такой роли астрономии в современной науке знакомство с важнейшими ее идеями необходимо каждому. Ни один современный человек не может считать законченным свое образование, если, он, изучив вопрос о происхождении и эволюции жизни на Земле, не имеет представления о всей предшествовавшей эволюции материи, происодившей в звездах и в диффузной газово-пылевой среде как в недавнем прошлом, так и в другие, более ранние периоды эволюции Вселенной.

Актуальность курсовой работы выражена в том, что необычайно возросший за последнее время интерес к астрономии на самых различных уровнях современного общества говорит о том, что ее достижения радуют и волнуют не только их творцов. Совершенствуется преподавание астрономии в школах, расширяются ее курсы в вузах, астрономией быстро и с успехом овладевают инженеры и специалисты, работающие в смежных областях знания.

Растет количество и повышается уровень популярной литературы.

Предметом астрономии является множества самых различных объектов и образуемых ими систем вплоть до всей Вселенной в целом. Исключительно многообразны и методы исследований, включающие как многочисленные теоретические подходы, так и всевозможные экспериментальные способы регистрации и измерения космического излучения, которое является основным источником информации в астрономии.

Многообразие объектов и методов приводит к многочисленности разделов и отдельных направлений в астрономии. Однако это не нарушает единства астрономии как науки, в которой все разделы подчинены единой цели исследований. По характеру используемой информации следует выделить три основных раздела: астрометрия, небесная механика и астрофизика.

Астрометрия изучает положение небесных тел и вращение Земли, опираясь на теоретические и практические методы измерений углов на небе, для чего организуются позиционные наблюдения небесных светил. У астрометрии две важные цели:

a. установление систем небесных координат и

b. получение параметров, характеризующих наиболее полно закономерности вращения Земли.

Небесная механика изучает движение небесных тел под действием тяготения, разрабатывает методы измерения их траекторий на основании наблюдаемых положений на небе, позволяет рассчитать таблицы их координат на дальнейшее время (эфемериды), изучает взаимное влияние тел на их движение, рассматривает движение и устойчивость систем небесных и искусственных тел.

Как видно, небесная механика целиком опирается на данные астрометрии и очень тесно с ней связана.

Астрофизика изучает происхждение (космогония), строение, химический состав, физические свойства и эволюцию, как отдельных небесных тел, так и их систем вплоть до всей Вселенной в целом (космология).

Таким образом, предмет астрофизики исключительно многообразен и обширен. Вместе с тем, в своих исследованиях астрофизика постоянно прибегает к выводам и методам астрометрии и небесной механики, так что все три важнейших раздела астрономии тесно взаимодействуют между собой.

Астрофизика включает множество практических подразделов, в которых разрабатываются и применяются различные методы наблюдений и анализа электромагнитного космического излучения, а также ряд теоретических подразделов, основанных на применении к результатам наблюдений методов физики и математики, знание которых совершенно необходимо астрономам.

Цель курсовой работы ознакомиться с проблемами измерений в астрономии, изучить базовые их методы и результаты.

Исследование таких сложных объектов как Галактика и другие звездные системы, требующее активного использования методов всех трех перечисленных разделов астрономии, иногда выделяют в так называемую звездную астрономию.

Однако в последнее время этот раздел все больше и больше сближается с астрофизикой, аналогично происходящему процессу сближения астрометрии с небесной механикой.

Глава 1. Определение размеров, форм небесных тел и расстояний до них

§ 1.1. Небесные координаты

Многие важные открытия, как в прошлом, так и сегодня были бы невозможными без упорного, тяжелого и часто незаметного труда ученых, посвятивших свою жизнь определению небесных координат светил.

В самом деле, например, квазары были обнаружены сначала как источники радиоизлучения. Природа квазаров как удивительных внегалактических объектов была раскрыта лишь в итоге больших усилий по их отождествлению с оптическими объектами. Для этого потребовалось как можно точнее определить их координаты.

Без результатов 20-летнего труда Тихо Браге, этого искусного измерителя координат планет, Иоганн Кеплер не смог бы открыть законы движения планет вокруг Солнца. Точные определения положения светил на небесной сфере позволили установить, в частности, место малых планет и комет в Солнечной систме, открыть планеты Нептун и Плутон, проверить одно из важнейших следствий общей теории относительности об искривлении траектории луча света, движущегося вблизи травитирующей массы, и многое другое.

Методы определения координат небесных светил разрабатывались на протяжении свыше двух тысячелетий. Сегодня они составляют один из важнейших разделов астрономии, который называется астрометрией.

Измерение видимого положения светил на небе производится в определенной системе координат. В астрометрии речь идет об измерении угловых расстояний светил от некоторых условных, но общепринятых точек и плоскостей. Можно сказать, что о многообразии систем координат «позаботилась» сама природа.

Так, в своей повседневной практике мы совершенно естественно выделяем направление действия силы притяжения Земли направление «верх — низ», контролируемое отвесной линией, и перпендикулярную к этому направлению плоскость горизонта.

Далее, Земля вращается вокруг своей оси. Хотя этого мы непосредственно не ощущаем, однако отображением данного движения является вращение небесного свода, ритмичный восход и заход светил. Главным направлением здесь является «ось мира», вокруг которой и вращается небесная сфера.

И, наконец, на протяжении года Земля делает полный оборот вокруг Солнца. Это движение обусловливает смену времен года. Оно обнаруживается в видимом годичном перемещении Солнца среди звезд.

Отмеченные явления и позволяют ввести три различные системы координат — горизонтальную, экваториальную и эклиптическую. Выбор той или другой из них зависит обычно от характера задачи, стоящей перед исследователем.

Для того чтобы разговор о координатах небесных светил был более конкретным, здесь прежде всего уместно вспомнить основные точки и линии небесной сферы.

Небесной сферой мы называем вспомогательную воображаемую сферу произвольного радиуса, центр которой может быть расположен в любой точке пространства. На поверхность этой сферы наносятся положения светил так, как они видны на небе в определенный момент времени из данной точки пространства.

Определение положения светила на небесной сфере сводится к измерению длин дуг

Поэтому для измерения дуг и соответствующих им центральных углов используются три единицы:

a. радиан — центральный угол, соответствующий дуге длиной в один радиус; в радиане содержится 57°17'45″;

b. градус (°) — центральный угол, соответствующий дуге в 1/360 часть окружности; градус делится на 60 минут ('), минута — на 60 секунд («);

c. час (h) — центральный угол, соответствующий дуге в 1/24 часть окружности; час делится на 60 минут (т) минута — на 60 секунд (s); один час равен 15°, минута в часовой мере равна 15 дуговым минутам.

Далее необходимо также вспомнить, что всякое сечение сферы плоскостью есть круг. При этом круг, секущая плоскость которого проходит через центр сферы, называется большим кругом, в противном случае — малым кругом.

Рис. 1. Основные точки и линии небесной сферы

Итак, точки пересечения небесной сферы с отвесной линией, проходящей через ее центр, называются: верхняя — зенит (Z) и нижняя — надир (Z1).

Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии, называется математическим горизонтом (или просто горизонтом). Любая плоскость, проходящая через зенит и центр сферы, образует при пересечении с ней большой круг, именуемый вертикалом.