Сайтът все още се разработва и може да има грешки и неточности. Ако забележиш такава, пиши ни на ninelibera@gmail.com.

Въведение: какво изучава астрономията

🔭 В ясна есенна нощ, далеч от светлините на града, потърсете в съзвездието Андромеда малко бледо петно. Това е цяла галактика – стотици милиарди звезди. Светлината, която в този момент влиза в окото ви, е тръгнала от нея преди около 2,5 милиона години, когато нашите далечни предци още не са познавали огъня. Как изобщо знаем всичко това, без никой да е ходил там? Отговорът е астрономията.

1. Какво изучава астрономията?

О

Астрономия

Науката за небесните тела – Слънцето, Луната, планетите, звездите, галактиките – и за Вселената като цяло: как се движат, от какво са изградени, как възникват и се развиват.

Днес астрономията е тясно свързана с физиката – законите, които действат в лабораторията, важат и в най-далечните галактики. Затова голяма част от нея е астрофизика. Основните ѝ направления:

Астрометрия и небесна механика

положенията и движенията на небесните тела, календари, затъмнения, орбити

Например: Закони на Кеплер

Астрофизика

какво представляват звездите и как светят: излъчване, спектри, строеж и еволюция

Например: Светлина и спектри

Планетология

планетите, спътниците, астероидите и кометите – и екзопланетите край други звезди

Например: Планети от земен тип

Космология

Вселената като цяло: откъде е тръгнала, как се разширява и от какво е съставена

Например: Големият взрив

Към тях се добавят и по-млади области: астробиологията търси условия за живот извън Земята, а изследването на – светове около други звезди – е едно от най-бързо развиващите се направления днес.

2. Най-старата наука

Хората са следили небето много преди да има писменост. Небето е било календар и часовник: древните египтяни са свързвали разливите на Нил с времето, когато Сириус за пръв път се появява на зазоряване, а календарът, който ползваме днес, е астрономическо изобретение. Небето е било и компас – моряците са се ориентирали по звездите хилядолетия наред.

  • Вавилон – векове наред записва положенията на Луната и планетите и открива повтарящите се цикли на затъмненията.
  • Древна Гърция – Аристарх (III в. пр.н.е.) предполага, че Земята обикаля Слънцето, и оценява, че Слънцето е много по-далеч от Луната; Ератостен измерва обиколката на Земята по сенките в два града; на Хипарх (II в. пр.н.е.) се приписват един от първите звездни каталози и откриването на ; Птолемей (II в.) описва геоцентричния модел, който се ползва около 1400 години.
  • Научната революция – Коперник (1543) поставя Слънцето в центъра; Галилей (1609–1610) насочва телескоп към небето и вижда спътниците на Юпитер и фазите на Венера; Кеплер открива законите на планетните орбити; Нютон (1687) обяснява всичко с един закон за гравитацията.
  • XX и XXI век – Хъбъл показва, че мъглявината Андромеда е отделна галактика (1920-те години) и че галактиките се отдалечават; космическите телескопи („Хъбъл“ – от 1990 г., „Джеймс Уеб“ – от 2021 г.) виждат небето без пречките на атмосферата.

Тези истории ще срещнете отново: гравитацията и законите на Кеплер в раздела „Гравитация и орбити“, телескопите в урока „Телескопи“, разширяването на Вселената в урока „Разширяване на Вселената“.

3. Наука без експерименти

Химикът може да смеси две вещества, а физикът – да пусне топче от кула. Астрономът не може да запали звезда или да премести галактика. Той може само да гледа – да събира всичко, което идва до нас от небето, и да го сравнява с модели, построени по законите на физиката.

🌈

Светлина

Почти всичко знаем от светлината – видима, радио, инфрачервена, ултравиолетова, рентгенова, гама. Тя носи и спектъра, а в него – състава, температурата и скоростта на източника.

👻

Неутрино

Почти невзаимодействащи частици. Неутрината от ядрото на Слънцето ни показват термоядрените реакции в него, а през 1987 г. са уловени и неутрина от свръхнова в съседна галактика.

〰️

Гравитационни вълни

Трептения на самото пространство. За пръв път са регистрирани през 2015 г. – от сливането на две черни дупки.

☄️

Вещество

Метеорити, лунни проби, донесени от „Аполо“, частици от астероиди и комети, и апарати, които изследват планетите отблизо.

💡 Важна идея:

Вместо експерименти астрономията има огромен брой обекти. Не можем да проследим живота на една звезда – той трае милиарди години, – но виждаме милиони звезди на различна възраст, както по снимка на тълпа можем да разберем как растат хората. Повече за „пратениците“ и уредите – в урока „Светлина и спектри“ и урока „Методи за наблюдение“.

4. Мащабите на Вселената

Най-трудното в астрономията е да си представим разстоянията. Затова ги записваме със степени на десетката: Земята е около 107 m10^7\ \mathrm{m}, Слънчевата система – около 1013 m10^{13}\ \mathrm{m}, нашата Галактика – около 1021 m10^{21}\ \mathrm{m}, а наблюдаемата Вселена – около 1027 m10^{27}\ \mathrm{m}. Всяко стъпало е хиляди или милиони пъти по-голямо от предишното.

Стъпалата на Вселената

Всяко деление на оста е 1000 пъти по-голямо от предишното. Изберете стъпало и сравнете със съседното.

10⁰ m10³ m10⁶ m10⁹ m10¹² m10¹⁵ m10¹⁸ m10²¹ m10²⁴ m10²⁷ mЗемя – Слънце (1 AU)разстояние: 1,5 · 10¹¹ m ≈ 1 AUсветлината го изминава за 8,3 minАко Земята е топче с диаметър 1 cm, това е 117 m107 пъти повече от „Слънцето“

Астрономическата единица – мярката за разстоянията в Слънчевата система.

Пример

Ако Земята е топче с диаметър 1 cm, колко далеч е Слънцето в този модел и колко е голямо?

  1. Мащабът е 1 cm12 742 km\frac{1\ \mathrm{cm}}{12\,742\ \mathrm{km}} – всички размери делим на 1,274⋅1091{,}274 \cdot 10^{9}.
  2. Разстояние: 1,496⋅1011 m1,274⋅109≈117 m\frac{1{,}496 \cdot 10^{11}\ \mathrm{m}}{1{,}274 \cdot 10^{9}} \approx 117\ \mathrm{m} – колкото футболно игрище.
  3. Слънцето: 1,39⋅109 m1,274⋅109≈1,1 m\frac{1{,}39 \cdot 10^{9}\ \mathrm{m}}{1{,}274 \cdot 10^{9}} \approx 1{,}1\ \mathrm{m} – голяма топка на 117 m от грахово зърно.
  4. А най-близката звезда в същия модел би била на около 31 000 km – три четвърти от обиколката на истинската Земя.

5. Единици за разстояние

Километрите стават неудобни още в Слънчевата система. Затова астрономите използват три единици:

Астрономическа единица (AU)149 597 870,7 km≈1,496⋅108 km149\,597\,870{,}7\ \mathrm{km} \approx 1{,}496 \cdot 10^{8}\ \mathrm{km}средното разстояние Земя – Слънце; за Слънчевата система
Светлинна година (ly)≈9,46⋅1012 km≈63 000 AU\approx 9{,}46 \cdot 10^{12}\ \mathrm{km} \approx 63\,000\ \mathrm{AU}пътят на светлината за една година; удобна за „колко назад гледаме“
Парсек (pc)≈3,26 ly≈206 265 AU\approx 3{,}26\ \mathrm{ly} \approx 206\,265\ \mathrm{AU}разстоянието, от което 1 AU се вижда под ъгъл 1′′1''; основната единица на астрономите

Пример

Най-близката звезда, Проксима Кентавър, е на 4,24 светлинни години. Колко е това в километри и в парсеци?

  1. d=4,24⋅9,46⋅1012 km≈4,01⋅1013 kmd = 4{,}24 \cdot 9{,}46 \cdot 10^{12}\ \mathrm{km} \approx 4{,}01 \cdot 10^{13}\ \mathrm{km} – 40 трилиона километра.
  2. d=4,24/3,26≈1,30 pcd = 4{,}24 / 3{,}26 \approx 1{,}30\ \mathrm{pc}.
  3. Космически апарат със скорост 17 km/s (колкото „Вояджър 1“) би пътувал дотам около 75 000 години.

Как се мерят тези разстояния и откъде идва парсекът – в урока „Разстояния“.

6. Гледаме в миналото

Т

Светлината пътува

Светлината се движи с крайна скорост c≈3⋅108 m/sc \approx 3 \cdot 10^8\ \mathrm{m/s}. От обект на разстояние dd тя идва за време t=dct = \frac{d}{c} – затова виждаме обекта такъв, какъвто е бил преди време tt.

Колкото по-далеч гледаме, толкова по-назад във времето. Това е огромно предимство: не можем да видим как е изглеждала нашата Галактика преди милиард години, но можем да видим други галактики такива, каквито са били тогава.

Колко назад във времето гледаме?

Светлината изминава 300 000 km в секунда, но и тя пътува дълго. Изберете обект: оста показва колко време е летяла светлината му до окото ни.

← сегаГолемият взрив →1 s1 min1 h1 ден1 г.100 г.10⁴ г.10⁶ г.10⁸ г.10¹⁰ г.СлънцетоСветлината е пътувала 8,3 min · разстояние: 1 AU = 149,6 млн. kmВиждаме обекта такъв, какъвто е бил преди 8,3 min.

Когато светлината е тръгнала: Ако Слънцето изчезне, ще разберем след 8 минути. Междувременно Земята изминава по орбитата си около 15 000 km.

⏳

Гледаме в миналото

Светлината от Слънцето пътува около 8 минути, а от Полярната звезда – стотици години (оценките са около 430). Виждаме звездите не каквито са сега, а каквито са били, когато светлината им е тръгнала.

🌌

Най-далечното, което виждаш с просто око

Галактиката Андромеда се вижда като бледо петно в есенното небе. Светлината ѝ е тръгнала преди около 2,5 милиона години.

🧭

Небето като GPS

Векове наред моряците са определяли географската си ширина, като измерват колко високо е Полярната звезда. Защо това работи – в урока „Небесната сфера“.

7. Ъглите – езикът на астрономията

Когато погледнем небето, не виждаме разстояния – виждаме само посоки и ъгли. Затова положенията и размерите на небесните тела се дават в градуси (°), ъглови минути (′) и ъглови секунди (″): 1∘=60′1^\circ = 60', 1′=60′′1' = 60''.

Т

Формула за малки ъгли

Тяло с диаметър DD на разстояние d≫Dd \gg D се вижда под ъгъл α=Dd\alpha = \frac{D}{d} (в радиани). В градуси α≈57,3∘⋅Dd\alpha \approx 57{,}3^\circ \cdot \frac{D}{d}, а в ъглови секунди α≈206 265′′⋅Dd\alpha \approx 206\,265'' \cdot \frac{D}{d}.

Колко голямо изглежда?

Видимият размер зависи от отношението на диаметъра към разстоянието. Пунктирът е Луната – сравнете с нея.

Луната: 31,1′Луната: 31,1′α = D / d = 3475 km / 384 400 km= 0,00904 rad = 31,1′Точно колкото Луната!

Слънцето е около 400 пъти по-голямо от Луната, но е и около 390 пъти по-далеч – затова на небето двете изглеждат почти еднакво големи. Това щастливо съвпадение прави пълните слънчеви затъмнения възможни.

Пример

Под какъв ъгъл виждаме Луната (диаметър 3475 km, разстояние 384 400 km) и Слънцето (диаметър 1 392 700 km, разстояние 149,6 млн. km)?

  1. Луната: α=3475384 400≈0,00904 rad≈0,518∘≈31′\alpha = \frac{3475}{384\,400} \approx 0{,}00904\ \mathrm{rad} \approx 0{,}518^\circ \approx 31'.
  2. Слънцето: α=1 392 700149 600 000≈0,00931 rad≈0,533∘≈32′\alpha = \frac{1\,392\,700}{149\,600\,000} \approx 0{,}00931\ \mathrm{rad} \approx 0{,}533^\circ \approx 32'.
  3. Почти еднакво – около половин градус. Затова Луната може да закрие точно Слънцето при пълно затъмнение (виж урока „Слънчеви затъмнения“).

Щом за небето има значение само посоката, можем да си го представим като сфера, върху която са „закрепени“ всички тела. Това е небесната сфера – с нея започва урокът „Небесната сфера“. А какво се вижда тази вечер от вашия град – в „Какво да наблюдавам тази вечер“.

8. 🎯 Бърз тест

1 / 7
✓ 0

Защо казваме, че астрономията е наблюдателна наука?

9. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво В· Национален кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво С· Международна олимпиада

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

10. Обобщение

  • ✓ Астрономията изучава небесните тела и Вселената като цяло; днес голяма част от нея е астрофизика
  • ✓ Тя е най-старата наука – календари, навигация, а после Коперник, Галилей, Кеплер и Нютон
  • ✓ Астрономията е наблюдателна наука: светлина, , и вещество са единствените ни „пратеници“
  • ✓ Мащабите: Земята ~10710^7 m, Слънчевата система ~101310^{13} m, Галактиката ~102110^{21} m, наблюдаемата Вселена ~102710^{27} m
  • ✓ 1 AU≈1,496⋅108 km1\ \mathrm{AU} \approx 1{,}496 \cdot 10^8\ \mathrm{km}, 1 ly≈9,46⋅1012 km1\ \mathrm{ly} \approx 9{,}46 \cdot 10^{12}\ \mathrm{km}, 1 pc≈3,26 ly1\ \mathrm{pc} \approx 3{,}26\ \mathrm{ly}
  • ✓ Светлината идва за време t=d/ct = d/c – колкото по-далеч гледаме, толкова по-назад във времето
  • ✓ Небето ни дава ъгли: α=D/d\alpha = D/d; Слънцето и Луната се виждат под около половин градус

💡Интересен факт

Около 240 г. пр.н.е. Ератостен забелязва, че в деня на лятното слънцестоене в Сиена (днешен Асуан) Слънцето е точно в , а в Александрия, на север, в същия момент пръчките хвърлят сянка – Слънцето е на около 7° от зенита. Тъй като 7° са около 1/50 от пълния кръг, обиколката на Земята е около 50 пъти разстоянието между двата града. Резултатът му е изненадващо близо до истинските 40 000 km – колко точно, зависи от това каква дължина на древния „стадий“ приемем.