Астрономия: Науката за Вселената, звездите и планетите

Древна история

Първите астрономи са използвали само очите си, за да наблюдават звездите. По религиозни причини те са съставяли карти на съзвездията и звездите, а за определяне на годишното време - календари. Ранните цивилизации като маите и древните египтяни са построили прости обсерватории и са начертали карти на разположението на звездите. Те също така започнали да мислят за мястото на Земята във Вселената. Дълго време хората смятали, че Земята е център на Вселената и че планетите, звездите и Слънцето се движат около нея. Това е известно като геоцентризъм. Астрономията произлиза от гръцкото astron (ἄστρον), което означава "звезда", и nomos (nόμος), което означава "закон")

Древните гърци се опитват да обяснят движението на слънцето и звездите чрез измервания. Математик на име Ератостен е първият, който измерва размера на Земята и доказва, че тя е сфера. Теорията на друг математик на име Аристарх била, че Слънцето е център, а Земята се движи около него. Това е известно като хелиоцентризъм. Само няколко души са смятали, че тя е правилна. Останалите продължавали да вярват в геоцентричния модел. Повечето от имената на съзвездията и звездите идват от гърците от онова време.

През Средновековието арабските астрономи постигат много успехи, включително подобряват звездните карти и начините за определяне на размера на Земята. Те също така се учат от древните, като превеждат гръцки книги на арабски език.

От Ренесанса до модерната епоха

По време на Ренесанса един свещеник на име Николай Коперник смята, че Земята не е център на всичко, тъй като наблюдава движението на планетите. Въз основа на предишни трудове той твърди, че Земята е планета и всички планети се движат около Слънцето. Това връща старата идея за хелиоцентризма. Галилео Галилей построил собствени телескопи и ги използвал, за да разгледа за първи път по-отблизо звездите и планетите. Той се съгласява с Коперник. Католическата църква смята, че Галилео греши. Той прекарва остатъка от живота си под домашен арест. Хелиоцентричните идеи скоро били усъвършенствани от Йоханес Кеплер и Исак Нютон, който изобретил теорията за гравитацията.

След Галилей хората създават по-добри телескопи и ги използват, за да видят по-далечни обекти като планетите Уран и Нептун. Те също така видели, че звездите са подобни на нашето Слънце, но са с различни цветове и размери. Видели са и хиляди други далечни обекти, като галактики и мъглявини.

Съвременна епоха

През 20-и век след 1920 г. в астрономията настъпват важни промени.

В началото на 20-те години на миналия век започва да се приема, че галактиката, в която живеем, Млечният път, не е единствената галактика. Съществуването на други галактики е установено от Едуин Хъбъл, който идентифицира мъглявината Андромеда като друга галактика. Хъбъл също така доказа, че Вселената се разширява. Имало е много други галактики на големи разстояния и те се отдалечават, отдалечават се от нашата галактика. Това беше напълно неочаквано.

През 1931 г. Карл Янски открива радиоизлъчване извън Земята, когато се опитва да изолира източник на шум в радиокомуникациите, с което поставя началото на радиоастрономията и прави първите опити за използване на друга част от електромагнитния спектър за наблюдение на небето. Частите от електромагнитния спектър, които не са блокирани от атмосферата, са отворени за астрономията, което позволява да се направят още открития.

С отварянето на този нов прозорец към Вселената бяха открити съвсем нови неща, например пулсари, които изпращат в пространството редовни импулси от радиовълни. Първоначално се смяташе, че вълните са с извънземен произход, тъй като импулсите бяха толкова редовни, че предполагаха изкуствен източник.

В периода след Втората световна война се появяват повече обсерватории, в които се изграждат и експлоатират големи и точни телескопи на добри места за наблюдение, обикновено от правителствата. Например Бърнард Ловел започва радиоастрономията в Джодрел Банк, като използва остатъци от военно радарно оборудване. До 1957 г. обектът разполага с най-големия управляем радиотелескоп в света. По подобен начин в края на 60-те години на ХХ век започва изграждането на специализирани обсерватории на Мауна Кеа в Хавай - добро място за видими и инфрачервени телескопи благодарение на голямата си височина и ясното небе.

Следващата голяма революция в астрономията се дължи на раждането на ракетостроенето. Тя позволи поставянето на телескопи в космоса на спътници.

Космическите телескопи за първи път в историята дават достъп до целия електромагнитен спектър, включително и до лъчите, които са били блокирани от атмосферата. С пускането на телескопите за наблюдение рентгеновите лъчи, гама лъчите, ултравиолетовата светлина и части от инфрачервения спектър станаха достъпни за астрономията. Както и при другите части на спектъра, бяха направени нови открития.

От 70-те години на миналия век са изстреляни спътници, които са заменени с по-точни и по-добри, което води до картографиране на небето в почти всички части на електромагнитния спектър.

Като цяло откритията биват два вида: тела и явления. Телата са неща във Вселената, независимо дали става въпрос за планета като нашата Земя или галактика като Млечния път. Явленията са събития и случки във Вселената.

Тела

За удобство този раздел е разделен според мястото, където се намират тези астрономически тела: тези, които се намират около звездите, са слънчеви тела, тези, които се намират в галактиките, са галактически тела, а всички останали по-големи тела са космически тела.

Слънчева

• Планети
• Астероиди
• Комети

Галактически

• Звезди

Дифузни обекти:

• Мъглявини
• Клъстери

Компактни звезди:

• Звезди бели джуджета
• Неутронни звезди
• Черни дупки

Cosmic

• Галактики
• Галактически клъстери
• Суперклъстери

Феномени

Избухващи събития са тези, при които настъпва внезапна промяна в небето, която бързо изчезва. Те се наричат взривове, защото обикновено се свързват с големи експлозии, които произвеждат "изблик" на енергия. Те включват:

• Свръхнови
• Novas

Периодични събития са тези, които се случват редовно и по повтарящ се начин. Названието "периодични" идва от термина "период", който представлява времето, необходимо на една вълна да завърши един цикъл. Периодичните явления включват:

• Пулсари
• Променливи звезди

Шумовите явления обикновено са свързани с неща, които са се случили много отдавна. Сигналът от тези събития отскача във Вселената, докато не изглежда, че идва отвсякъде, и не се различава съществено по интензивност. По този начин той е "шум", фоновият сигнал, който прониква във всеки инструмент, използван за астрономия. Най-разпространеният пример за шум е статичното електричество, което се наблюдава при аналоговите телевизори. Основният астрономически пример е: космическото фоново излъчване.

Инструменти

• Телескопите са основният инструмент за наблюдение. Те поемат цялата светлина от голяма площ и я поставят на малка площ. Това е като да направите очите си много големи и мощни. Астрономите използват телескопите, за да наблюдават неща, които са далечни и слаби. Телескопите правят обектите да изглеждат по-големи, по-близки и по-ярки.
• Спектрометрите изследват различните дължини на вълните на светлината. Това показва от какво е съставено нещо.
• Много телескопи се намират в спътници. Те са космически обсерватории. Атмосферата на Земята блокира някои части от електромагнитния спектър, но специални телескопи над атмосферата могат да откриват това излъчване.
• Радиоастрономията използва радиотелескопи. Синтезът на апертурата комбинира по-малки телескопи, за да създаде фазирана решетка, която работи като телескоп, голям колкото е разстоянието между по-малките телескопи.

Техники

Има начини астрономите да получат по-добри снимки на небето. Светлината от отдалечен източник достига до сензор и се измерва, обикновено от човешко око или фотоапарат. При много слаби източници може да няма достатъчно светлинни частици, идващи от източника, за да бъдат видени. Една от техниките, с които астрономите разполагат, за да го направят видим, е използването на интегриране (което е като по-дългите експозиции във фотографията).

Интеграция

Астрономическите източници не се движат много: само въртенето и движението на Земята ги кара да се движат по небето. Тъй като светлинните частици достигат до камерата с течение на времето, те попадат на едно и също място, което става по-ярко и по-видимо от фона, докато не може да се види.

Телескопите в повечето обсерватории (и сателитните инструменти) обикновено могат да проследяват източника, докато той се движи по небето, което прави звездата неподвижна за телескопа и позволява по-дълги експозиции. Освен това изображенията могат да се правят в различни нощи, така че експозициите да обхващат часове, дни или дори месеци. В цифровата епоха цифровизираните снимки на небето могат да се добавят заедно с помощта на компютър, който наслагва изображенията след корекция на движението.

Адаптивна оптика

Адаптивната оптика означава промяна на формата на огледалото или лещата, докато гледате нещо, за да го видите по-добре.

Анализ на данните

Анализът на данни е процесът на получаване на повече информация от астрономическо наблюдение, отколкото просто чрез разглеждане. Наблюдението първо се съхранява като данни. След това тези данни се анализират чрез различни техники.

Анализ на Фурие

Анализът на Фурие в математиката може да покаже дали дадено наблюдение (за определен период от време) се променя периодично (променя се като вълна). Ако е така, може да се извлекат честотите и видът на вълновия модел и да се открият много неща, включително нови планети.

Пулсарите пулсират редовно с радиовълни. Оказа се, че те приличат на някои (но не на всички) от един вид ярки източници в рентгеновите лъчи, наречени рентгенови двойни източници с ниска маса. Оказа се, че всички пулсари и някои LMXB са неутронни звезди и че разликите се дължат на средата, в която се намира неутронната звезда. Онези LMXB, които не са неутронни звезди, се оказаха черни дупки.

В този раздел е направен опит да се направи преглед на важните области на астрономията.

Слънчева астрономия

Слънчевата астрономия се занимава с изучаването на Слънцето. Слънцето е най-близката до Земята звезда на разстояние около 92 милиона (92 000 000) мили. То е най-лесното за подробно наблюдение. Наблюдението на Слънцето може да ни помогне да разберем как функционират и се формират другите звезди. Промените в Слънцето могат да повлияят на времето и климата на Земята. От Слънцето постоянно се изпраща поток от заредени частици, наречен Слънчев вятър. Слънчевият вятър, който се удря в магнитното поле на Земята, предизвиква северното сияние.

Планетарна астрономия

Планетарната астрономия се занимава с изучаването на планетите, луните, планетите джуджета, кометите и астероидите, както и на други малки обекти, които обикалят около звездите. Планетите от нашата Слънчева система са изучавани задълбочено от много посещаващи ги космически апарати, като например "Касини-Хюйгенс" (Сатурн) и "Вояджър 1 и 2".

Галактическа астрономия

Галактическата астрономия се занимава с изучаването на далечните галактики. Изучаването на далечните галактики е добър начин за опознаване на собствената ни галактика, тъй като газовете и звездите в нея затрудняват наблюдението. Галактическите астрономи се опитват да разберат структурата на галактиките и начина, по който те се формират, като използват различни видове телескопи и компютърни симулации.

Астрономия на гравитационните вълни

Астрономията на гравитационните вълни е изследване на Вселената в спектъра на гравитационните вълни. Досега цялата астрономия, която е правена, е използвала електромагнитния спектър. Гравитационните вълни са пулсации в пространство-времето, излъчвани от много плътни обекти, променящи формата си, сред които са белите джуджета, неутронните звезди и черните дупки. Тъй като никой не е успял да открие директно гравитационни вълни, въздействието на астрономията на гравитационните вълни е ограничено.