Розвиток астрономічної науки в Україні.

1.Що таке астрономія? 2. Які практичні питання вона допомагала вирішувати?

3. Який із стимулів розвитку астрономії для Вас найпереконливіший? Чому?

4. Що таке астрологія? 5. Чому, на Вашу думку, астрологія не є наукою?

1.1. Підготуйте усне повідомлення на тему «Мої знання і уявлення про Всесвіт».

ЛЕКЦІЯ3. Небесна сфера і добовий рух світил

План

1. Точки і лінії небесної сфери. Залежність висоти полюса світу від географічної широти місця спостереження.

2. Горизонтальна та екваторіальна системи координат.

3. Явища пов’язані з добовим обертанням Землі: схід та захід світил, кульмінації світил (моменти кульмінацій та висоти).

4. Зоряні каталоги і карти.

5. Видимий рух Сонця. Екліптика.

6. Невідповідність астрологічних уявлень знанням про екліптику.

7. Псевдонауковість астрології, критика астрологічних поглядів і завбачень.

І. НЕБЕСНА СФЕРА.

РУХ СВІТИЛ НА НЕБЕСНІЙ СФЕРІ

Небесна сфера. Сузір'я. Відстані

до небесних світил. Зоряні величини

1. Поняття небесної сфери Зоряне небо!.. Напевне, немає лю­дини, яку б не вражала його витончена довершеність, його незбагненна краса і таємничість. Недаремно давні греки дали всьому зоряному Всесвіту назву космос, що означає - оздоба, прикраса. І в цьому немає нічого дивно­го! Свого часу М. Коперник висловився з захопленням: «...Бо що може бу­ти чарівнішим від небосхилу, який вміщує у собі все прекрасне?»

Розмірковуючи над будовою зоряного Всесвіту, філософ Арістотель (384-322 pp.. до н. е.) стверджував: «Всесвіт - досконалий, а тому сферич­ний, бо сфера - єдина досконала фігура». Згідно з його розрахунками, радіус Всесвіту, тобто відстань до сфери зір, має бути у дев'ять разів більшою, ніж відстань від Землі до Сонця, а Земля, за його уявленнями, займає цен­тральне положення у Всесвіті, адже «усі важкі тіла прямують до центра Землі, а оскільки будь-яке тіло прямує до центра всесвіту, то Земля мусить перебувати нерухомо в цьому центрі». Щоправда, інший відомий грецький філософ Демокріт (460-370 pp. до н. е.), а ближче до наших часів Галілей до­водили протилежне: Всесвіт - безмежний, зорі перебувають на різних відстанях від Землі, але ця різниця у відстанях на око не сприймається, тому і здається, що зорі знахо­дяться на внутрішній поверхні деякої сфери. Це виявилось і справді так!

Мал. 3.1. Небесна сфера

  Сьогодні ми знаємо, що немає сфери над нашими головами, знаємо, що зорі дуже да­лекі від нас, та поняття небесної сфери зали­шилось, бо виявилося дуже зручним при  вивченні видимих рухів світил та визна-

ченні їхніх взаємних розташувань на небі.

Небесна сфера — це уявна сфера довільного радіуса, ft центрі якої знаходиться спостерігач і на яку спроектовано всі світила так, як він бачить їх у певний момент часу з певної точки простору.

Небесну сферу можна уявити у вигляді велетенського глобуса (довільно­го радіуса), схожого на глобус Землі, але розглядається він зсередини (мал. 3.1). Центр небесної сфери збігається з оком кожного окремого спос­терігача. Як і на земному глобусі, на небесній сфері можна намалювати уявні лінії і певні точки, що дає змогу ввести систему небесних координат.

2. Сузір'я, їхня кількість і межі. Перше враження від спосте­реження зоряного неба - це незліченність зір і хаотичність їхнього роз­ташування на небосхилі. Насправді ж зір, які можна побачити неозб­роєним оком, на небі Землі близько 6 000.

Видиме розташування зір на небі змінюється надзвичайно повільно. Без точних вимірів помітити його впродовж сотень і навіть тисяч років немож­ливо. Ця обставина дозволила за незапам'ятних часів намалювати по най­яскравіших зорях перші характерні «зоряні візерунки» - сузір'я (мал. 3.2).

Більшість їхніх назв, які використовуються й сьогодні - це спадок від давніх греків. Так, у творі «Альмагест» Птолемея перелічено 48 сузір'їв. Нові сузір'я з'явилися на небі після перших подорожей у південну півкулю Землі під час великих географічних мандрівок XVI-XVII ст., а також після винайдення телескопа.

На початку XX ст. налічувалося 108 сузір'їв. Але на конгресі Міжнародного Астрономічного Союзу 1922 р. їхню кількість було змен­шено до 88. Тоді ж було встановлено також нові межі сузір'їв, що існу­ють і досі.

Сузір'я — це певна ділянка зоряного неба з чітко окресленими межами, що охоплює всі належні їй світила і яка має власну назву.

Мал. 3.2. Сузір'я на старовинній зоряній карті

У деяких сузір'ях виділяють менші групи зір, наприклад Плеяди та Пади в сузір'ї Тельця, Ківш у сузір'ї Великої Ведмедиці тощо.

Поряд із загальноприйнятими в астрономії назвами для окремих сузір'їв вживають і народні назви. Так, в Україні Велика Ведмедиця - це «Великий Віз», Мала Ведмедиця - «Малий Віз», Кассіопея -«Борона» чи «Пасіка», Дельфін - «Криниця», Пояс Оріона - «Ко­сарі», Орел - «Дівчина з відрами», зоряне скупчення Пади, що утворюють голову Тельця, - «Чепіги», а зоряне скупчення Плеяди - «Стожари».

Про кожну істоту, яку давні люди уявляли у візерунку конкретної групи зір і ім'ям якої називали це сузір'я, було складено певну леген­ду. Наприклад: син грецького бога морів Посейдона, Оріон, був хороб­рим і вправним мисливцем. Не було звіра, якого він не міг би вполюва­ти. Розлючена богиня Артеміда, охоронниця звірів, підіслала до

Вперше надійні річні паралакси було виміряно в середині XIX ст. Дотепер відомо точні величини річних паралаксів майже для 100 000 зір, і на цій основі розроблено біля десяти інших методів визна­чення відстаней до віддаленіших об'єктів.

Оскільки відстані між астрономічними об'єктами дуже великі, то користуватися звичними одиницями довжини (метр, кілометр) незруч­но. Тому в астрономії використовують особливі одиниці для вимірюван­ня відстаней: астрономічна одиниця (а. о.), яка дорівнює середній відстані Землі від Сонця (149 600 000 км), і парсек (пк), від слів «пара­лакс» і «секунда» - відстань, з якої середній радіус земної орбіти видно під кутом 1’ (секунда дуги). Часто використовують похідні одиниці: кілопарсек (1 кпк = 1 000 пк) і мегапарсек (1 Мпк = 1 000 000 пк).

M

Мал. 3.3. Горизонтальний паралакс Мал. 3.4. Річний паралакс зорі

Інколи використовується одиниця довжини світловий рік (св. p.). Це така відстань, яку проходить світло за один рік, поширюючись зі швидкістю 300 000 км/с.

Між одиницями довжини, що використовуються в астрономії, існу­ють такі співвідношення: 1 пк = 3,26 св. р. = 206 265 а.о. — З • 10¹⁶ м; 1 св. р. = 0,3066 пк = 63 240 а. о. = 9,5 • 10¹⁵ м.

5. Зоряні величини. Те, що одні зорі яскравіші, а інші слабкіші, було помічено давно. З метою класифікації зір за їхнім блис­ком Гіппарх увів поняття видимої зоряної величини (цей термін до фізичних розмірів зорі не має ніякого відношення). Найяскравіші зорі він виділив у групу зір 1-ї величини, трохи слабкіші - 2-ї, а ледве помітні - 6-ї величини.

Згодом було прийнято зоряні величини позначати літерою m (від лат. «магнітуде» - «величина»), що проставляється як показник степеня справа вгорі біля цифри, яка вказує її числове значення (напри­клад, 1^т). Таким чином, замість того щоб говорити про освітленість, яку створює зоря, астрономи говорять: «блиск зорі дорівнює m зоряним ве­личинам».

Було встановлено, що зоряна величина m і освітленість Е пов'язані залежністю

m = -14^m -2,5 lgE. (3.1)

Неважко підрахувати, що зорі 6^m рівно у 100 разів слабкіші за зорі 1^m. Зазначимо, що найяскравіших зір з величинами яскравіше 1^m налічується усього 13, від 1^m до 2^т - 27, а всіх зір до 6^m - близько 6 000. Видима зоряна величина Сонця становить -26,8^m.

Однак видима зоряна величина m не дає інформації про справжню потужність джерела світла (наприклад, близька свічка краще освітлює текст, ніж далека електрична лампочка). Тому для характеристики зір введено абсолютну зоряну величину М.

Абсолютна зоряна величина — це така зоряна величина, яку б мала зоря, якби перебувала від нас на відстані 10 пк (32,6 св. p.).

Оскільки освітленості змінюються обернено пропорційно квадрату відстані, то, використовуючи формулу (3.1), знайдемо співвідношення:

6. Каталоги небесних об'єктів. Окрім зір, на небі можна спо­стерігати багато інших об'єктів - туманності, зоряні скупчення, га­лактики тощо. Всі ці об'єкти занесено у спеціальні списки - каталоги.

Перші каталоги з'явилися ще до нашої ери. Сьогодні завдяки напо­легливій багаторічній праці десятків і сотень астрономів маємо декілька різних каталогів небесних об'єктів.

У так званому «Боннському огляді неба» (BD, 1863 р.) наведено ко­ординати, зоряні величини і особливості спектрів 324 188 зір. Довгий час найвідомішим серед каталогів зір був дев'ятитомний «Каталог Генрі Дрепера» (HD), що містить інформацію про зоряні величини і спе­ктри 225 300 зір (опублікований 1918-1924 pp.).

Один із найвідоміших каталогів незоряних об'єктів склав фран­цузький астроном Ш. Месьє (1780-1817). У ньому налічується 109 об'єктів - яскравих зоряних скупчень, туманностей і галактик. Зокрема,

галактика із сузір'я Андромеди записана у ньому за номером 31, тому її позначають як об'єкт М31 (читається «Месьє 31»). Існує «Новий гене­ральний каталог туманностей і зоряних скупчень» (NGC, 1888 р.), в якому галактика М31 має номер 224 (об'єкт NGC224).

Існують і інші каталоги, наприклад, «Tycho Catalogne», складений за результатами роботи супутника «HIPPARCOS» у 1989-1993 pp. Він містить відомості про понад один мільйон зоряних об'єктів. Складено каталоги дис­кретних радіо джерел, у тому числі квазарів - Третій, Четвертий і П'ятий Кембриджський каталоги (ЗС, 4С і 5С). Є каталоги інфрачервоних джерел, створені за результатами роботи супутника IRAS, та інші. Окрім традицій­них, друкованих каталогів, останніми роками створено їхні комп'ютерні варіанти, що зручніше для користування. Робота над ними триває.

1. Що таке небесна сфера? 2. Скільки сузір'їв налічується на небесній сфері і коли уточнено їхні межі? З. Які позначення прийнято вживати для звичайних і для змінних зір? 4. Що таке видима зоряна величина і хто її увів? 5. Що означає запис «об'єкт М31», «об'єкт NGC224»?

3.1. Порівняйте взаємне розташування сузір'їв на карті зоряного неба.

3.2. Підготуйте усне повідомлення на тему «Міфи і легенди зоряного неба».

Основні точки і лінії небесної сфери. Зоряний час

Для визначення положення світила на небі необхідна певна систе­ма координат, подібна до тієї, що використовується на поверхні Землі.

Спосіб побудови сітки гео­графічних координат відомий: на по­верхні Землі виділено дві точки - гео­графічні полюси, через них проведено дуги географічних меридіанів, один із них прийнято за початковий («нульо­вий»); проведено також земний еква­тор - велике коло, всі точки якого рівновіддалені від полюсів. Перебува­ючи всередині небесної сфери, зробимо те ж саме. Слід лише домовитись, які точки на ній вважати «головними».                                  

   Мал. 4.1. точки і лінії небесної сфери

1. Основні точки і лінії небесної сфери. Визначення основ­них точок і ліній небесної сфери починають з найпростішого - з уста­новлення вертикального напрямку за допомогою виска. Прямовисна лінія (лінія виска) перетинається з небесною сферою в двох точках, які називаються зеніт і надир. Ці назви запозичено в арабських спо­стерігачів: зеніт - «вершина», надир - «напрям ноги»; їх позначають відповідно літерами Z і Z' (мал. 4.1).

Зеніт — це верхня точка перетину прямовисної лінії з небесною сферою, надир — нижня точка (протилежна зеніту).

Велике коло, яке проходить через світило, точку зеніту і точку на­диру, називається вертикал ьни м колом або вертикалом.

Через центр небесної сфери перпендикулярно до прямовисної лінії проведемо горизонтальну площину.

Велике коло, по якому горизонтальна площина перетинається з не­бесною сферою, називається математичним або справжнім горизонтом.

Справжній горизонт слід відрізняти від видимого горизонт у, який на суші є неправильною лінією з точками, що лежать вище або нижче справжнього горизонту, а на морі завжди є колом, площина якого паралельна площині справжнього горизонту.

Небесна сфера обертається навколо лінії, яка називається віссю світу; точки перетину осі світу з небесною сферою називаються п о люсами світу. Полюс, відносно якого небесна сфера обертається проти годинникової стрілки (для спостерігача, який перебуває у центрі сфери), називають Північним полюсом світу, протилежний йому -Південним полюсом світу.

У наш час Північний полюс світу перебуває поблизу зорі а Малої Ведмедиці, яку називають Полярною зорею.

Велике коло, площина якого перпендикулярна до осі світу, назива­ють небесним екватором. Небесний екватор ділить небесну сферу на північну і південну півкулі.

З горизонтом небесний екватор перетинається у двох точках: у точці сходу Е і в точці заходу W. Велике коло, що проходить через полюси світу і зеніт, називають небесним меридіаном. Небесний ме­ридіан перетинається з горизонтом у двох точках: у точці півночі N (вона ближча до Північного полюса світу) і в точці півдня S (вона ближча до Південного полюса світу).

Пряму лінію, що з'єднує точки півдня і півночі, називають полу­денною лінією. Небесний меридіан ділить небесну сферу на дві півкулі - східну і західну. Велике коло, що проходить через полюси світу і через світило М, називають колом схилень.

Слідкуючи за тим, як упродовж року приекваторіальні сузір'я одне за одним зміщуються на вечірньому небі до тієї ділянки горизонту, за яку зайшло Сонце, можна зробити висновок, що Сонце здійснює види­мий річний рух назустріч обертанню небесної сфери.

Велике коло, по якому центр диска Сонця здійснює свій видимий річний рух на небесній сфері, називається екліптикою.

Слово «екліптика» походить від грецького «екліпто» - «затем­нюю», бо як тільки Місяць у своєму русі навколо Землі перетне екліпти­ку в повню, настає затемнення Місяця. Якщо він перетинає екліптику у фазі нового Місяця, відбувається затемнення Сонця.

переходить з південної півкулі неба в північну. Через точку осіннього рівнодення û центр диска Сонця 22-23 вересня переходить з північної півкулі неба в південну.

2. Кульмінації світил. Внаслідок добового обертання небесної сфери кожне світило, описуючи на небі коло (тим менше, чим ближче світило до полюса світу), двічі перетинає небесний меридіан.

Явище проходження світила через небесний меридіан називається кульмінацією.

У верхній кульмінації світило буває найвище над горизонтом, у нижній кульмінації світило буває найнижче над горизонтом чи під го­ризонтом. Деякі зорі в момент верхньої кульмінації проходять через зеніт. В залежності від кутових відстаней, на яких світила знаходять­ся від полюсів світу, у кожній певній точці земної кулі вони можуть сходити і заходити, або ніколи не заходити, або ніколи не сходити.

Для світил, які в даній місцевості не заходять, ми бачимо і верхню, і нижню кульмінації; для світил, які сходять і заходять, - тільки верхню кульмінацію; для світил, які не сходять, обидві кульмінації відбуваються під лінією горизонту. Для спостерігача на північному полюсі Землі всі зорі північної небесної півкулі не заходять, а зорі південної небесної півкулі не сходять і навпаки. Для спостерігача на екваторі всі зорі обох небесних півкуль схо­дять і заходять.

Коли центр сонячного диска, перетинаючи небесний меридіан, зна­ходиться у верхній кульмінації, настає астрономічний полу­день; під час нижньої кульмінації центра сонячного диска настає астрономічна північ.

3. Зоряний час. Періодичне обертання небесної сфери, повто­рення явищ сходу і заходу світил та їхніх кульмінацій дали людям при­родну одиницю лічби часу - добу. Залежно від того, що взяте за орієнтир на небі, відрізняють сонячну і зоряну добу.

Зоряна доба - це проміжок часу між двома послідовними верхніми кульмінаціями точки весняного рівнодення.

Зоряний час — це час s, що минув від верхньої кульмінації точ­ки весняного рівнодення.

Як побачимо далі, знання зоряного часу значно полегшує отриман­ня відповіді на питання про те, що можна бачити на небі в кожний зада­ний момент часу. 1. Скільки основних точок небесної сфери Вам відомо? 2. Які з цих точок займа­ють постійне положення на небесній сфері, а які визначаються положенням спос­терігача в кожному конкретному пункті земної поверхні? 3. Скільки основних ліній введено на небесній сфері? 4. Що таке кульмінація світила? 5. Що таке зоря­на доба і зоряний час?

Системи небесних координат

Положення світила на небесній сфері (як і на поверхні Землі) визначається двома координатами. В астрономії розроблено декілька систем небесних координат, найвідоміші з них такі: горизонтальна та перша і друга екваторіальні системи координат.

1. Горизонтальна система координат. В горизонтальній сис­темі координат використовують азимут А світила M і його висоту над горизонтом h (мал. 5.1). Основною площиною у цій системі є площина горизонту SN, а початком відліку - точка півдня S.

Азимут А світила M відлічують від точки півдня S уздовж горизонту в бік заходу до вертикала світила.

Висоту h світила M відлічують від горизонту вздовж вертикала до світила.

Як азимут А, так і висоту h світила вимірюють у градусах: азимут, від 0 до 360°, висоту - від 0 до +90° (над горизон­том) і від 0 до -90° (під горизонтом).

Недоліком цієї дуже простої систе­ми координат є те, що кожна з коорди­нат світила безперервно змінюється внаслідок обертання небесної сфери.

2. Перша екваторіальна система координат, у цій системі ко­ординат використовують годинний кут світила t і його схилення Q (мал. 5.2).

Основною площиною в цій системі є площина екватора QQ', а почат­ком відліку - найвища точка небесного екватора Q.

Годинний кут t світила M вимірюється від точки Q уздовж небесного екватора в бік заходу до кола схилення світила. Інакше кажучи, годинний кут світила t - це час, що минув від верхньої кульмінації світила.

Схилення 5 світила M відлічують від небесного екватора уздовж кола схилень до світила.

Годинний кут t світила вимірюється в годинах, хвилинах, секундах від 0^Л (світило у верхній кульмінації) до 24° (знову у верхній кульмі­нації). Якщо годинний кут світила t = 12°, то світило перебуває в нижній кульмінації. Схилення світила ô вимірюють від 0° (світило на небесному екваторі) до +90° у північній півкулі небесної сфери і від 0° до -90° у південній півкулі. _z

У цій системі одна з координат -схилення світила 5 - залишається незмінною під час обертання небесної сфери. Друга координата - годинний кут t - безперервно зростає, бо її відлік ведуть від моменту верхньої кульмінації світила в конкретному пункті Землі.

Отже, координата t у першій еква­торіальній системі, як і горизонтальні координати Ain світила, мають своє певне значення тільки для деякого моменту часу.

Мал. 5.2. Екваторіальні системи координат

Тому, використовуючи ці координати, не можна побудувати зоряні карти або скласти каталог зір для постійного користування. Ця обста­вина є недоліком зазначеної системи координат, але її перевагою є порівняно легке вимірювання.

Для побудови зоряних карт і каталогів небесних об'єктів з метою постійного користування необхідно мати координати, які не змінюють­ся внаслідок обертання небесної сфери. Для цього було введено ще одну систему екваторіальних координат.

Карти зоряного неба. Навчальні карти зоряного неба, з якими найчастіше доводиться працювати, виконані у формі прямокут­ника або круга. На карті, яка має вигляд прямокутника, по горизонталі відкладено пряме піднесення а, по вертикалі - схилення 5 світил. На карті, яка має вигляд круга, в центрі знаходиться Північний полюс світу. Пряме піднесення а зір проставлено на обводі карти. Радіальні лінії, що сходяться до центру карти - це проекції кіл схилень. При­наймні вздовж чотирьох із них проставляють схилення світил Q.

Дати на обводі карти-круга вказують положення Сонця на екліптиці. Його положення на екліптиці на кожну дату знаходимо, пересуваючись від цієї дати до центра карти уздовж радіальної прямої, на її перетині з екліптикою. Шкала зоряних величин розміщена за краєм карти-круга.

На обводі круга вказано, які зорі о певній годині вечора (ранку) 5 і 20 числа того чи іншого місяця перебувають на півдні, тобто поблизу півден­ної частини небесного меридіана. І це робить карту зручною для користу­вання: треба стати лицем на південь, поглянути на небо і тут же, ввімкнув­ши на мить ліхтарик, знайти на карті відповідний «візерунок зір».