Астрономия: наука наблюдения

Астрономия — это исследование неба, наука о космических объектах и о событиях, происходящих во Вселенной. Это изучение природы Вселенной, в которой мы живем. Астрономы проводят свои исследования, глядя в телескопы и "слушая" (если речь идет о радиотелескопах). К их услугам небольшие телескопы, огромные обсерватории и спутники, вращающиеся вокруг Земли и изучающие типы излучения (такие как ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-лучи), которым атмосфера преграждает путь на землю. Телескопы запускают на ракетах для исследования верхних слоев атмосферы (это ракеты, оборудованные приборами для проведения научных наблюдений на больших высотах) и на беспилотных аэростатах. Некоторые приборы также запускают на борту космических аппаратов для исследования дальнего космоса.

Профессиональные астрономы проводят исследования Солнца и Солнечной системы, галактики Млечный Путь (в которой находится наша Солнечная система) и Вселенной, лежащей за пределами нашей галактики. Они обучают студентов в университетах, проектируют спутники в лабораториях и работают в планетариях. Еще они пишут книги — такие, как та, которую вы сейчас держите в руках. Большинство из них имеют научное звание. Нужно заметить, что в наши дни многие астрономы занимаются теоретической физикой, работают с автоматическими телескопами-роботами и поэтому очень далеки от непосредственного наблюдения ночного неба. Они могут даже не знать, где искать на небе то или иное созвездие (группа звезд, которой присвоено название, например, Большая Медведица), что для многих людей становится "посвящением" в астрономию. (Вы наверняка видели Большой ковш — астеризм (asterism) в созвездии Большой Медведицы. Астеризм — это конфигурация звезд, которой присвоили некоторое имя, и которая не является ни одним из 88 известных созвездий.) На рис. 1.1 показана фотография Большого ковша на ночном небе.

Рис. 1.1. Фотография Большого ковша

В настоящее время в мире насчитывается примерно 13 тысяч профессиональных астрономов и сотни тысяч любителей, из которых только в США живут свыше 300 тысяч. Многие астрономы-любители также вносят важный вклад в научные исследования.

Астрономы-любители обычно разбираются в созвездиях. Они изучают их в качестве ориентиров, чтобы исследовать ночное небо невооруженным глазом, а также с помощью бинокля или телескопа.

В течение многих тысячелетий люди получали знания о космосе, просто наблюдая небо. Поэтому с самого начала стоит понять следующее: астрономия занимается объектами, которые:

можно изучить, исследуя свет, который доходит до нас от космических объектов;

видимы на расстоянии;

движутся через космическое пространство под влиянием тяготения.

В этой главе вы познакомитесь с такими понятиями, как свет, расстояние и тяготение.

Язык света

Свет дает нам информацию о планетах, спутниках и кометах нашей Солнечной системы; о звездах, звездных скоплениях и туманностях нашей галактики; об объектах, находящихся за пределами нашей галактики.

А это не предмет астрономии

Астрономия— это не астрология! Астронома ужасно раздражает, когда его наивно называют "астрологом". По мнению астрономов, когда Юпитер оказывается на одной линии с Марсом, это великолепное зрелище для наблюдателей, а не хорошее либо дурное предзнаменование.

Астрономы — не уфологи; они не занимаются поиском неопознанных летающих объектов (НЛО, или UFO). Обычно они могут определить, что именно видят. Нужно сказать, что и астрономы, и уфологи смотрят в небо. И те, и другие видят звезды и планеты. Но, как ни странно, только уфологи всерьез воспринимают истории о непосредственных наблюдениях инопланетных существ или их летательных аппаратов.

Программа SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence — Поиск внеземного разума) — совсем другое дело. Здесь исследования ведут астрономы. Они используют чувствительные радиотелескопы, ищут любые намеки на сигналы из космоса, которые могут быть переданы с планет из звездных систем, находящихся за пределами нашей Солнечной системы. Недавно ученые начали искать сообщения, которые могут приходить в виде вспышек света, исходящего от мощных лазеров. Исследователи предполагают, что такими лазерами могут располагать цивилизации, гораздо более развитые, чем наша.

Пока астрономы не получили никаких посланий от инопланетян, но они продолжают слушать и искать. Все, что астрономы узнали о планетах и звездах, заставляет большинство из нас верить, что где-то: в глубинах космоса есть и другие обитаемые планеты. Многие астрономы согласны с высказыванием, которое так любил повторять покойный Карл Саган[3]: "Мы не одиноки во Вселенной".

В древние времена люди не думали о физике и химии звезд; они запоминали и передавали следующим поколениям легенды и мифы: о Большой Медведице, Звезде Дьявола, о Лунном человеке, о драконе, пожирающем Солнце во время солнечного затмения, и т. д. Эти сказания были разными у разных народов, но многие люди научились распознавать конфигурации звезд. В Полинезии опытные местные мореплаватели проходили в открытом море на гребных судах сотни миль без компаса и каких-либо береговых ориентиров в поле зрения. Они плавали, ориентируясь по звездам и Солнцу и используя свои знания преобладающих ветров и течений.

Наблюдая за светом, исходящим от звезды, даже древние люди отмечали ее яркость, положение на небе и цвет. Эта информация помогала людям отличать один небесный объект от другого и узнавать уже знакомые им объекты. Вот самое простое, что вы должны уметь, наблюдая звездное небо:

отличать звезды от планет;

определять названия созвездий и звезд;

определять блеск (соответствующий звездной величине);

определять положение небесного объекта в небе (с помощью специальных единиц измерения);

узнавать метеоры и кометы.

Как отличить планеты от звезд

Слово "планета" произошло от древнегреческого слова planetes, буквально "странник". Древние греки, как и почти все остальные древние народы, заметили, что пять светящихся точек перемещаются на фоне остальных звезд на небе. Причем одни постоянно движутся вперед, а другие время от времени делают петлю и движутся назад по своему собственному пути. И никто не знал — почему. Эти светящиеся точки обычно не мерцали, как остальные звезды. И данному различию также не было никакого разумного объяснения. У каждого народа были свои названия для этих пяти светящихся точек или планет. А сегодня мы называем их Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. И почти все уже знают, что они не блуждают среди звезд, а вращаются вокруг Солнца — звезды, находящейся в центре нашей системы.

Сегодня мы знаем, что планеты — это объекты, которые больше или меньше Земли, но что все они гораздо меньше Солнца. Они намного ближе к Земле, чем к звездам (отличным от Солнца), поэтому, по крайней мере в телескоп, они видны в форме дисков. Это значит, что планеты имеют круглую форму и различимый размер. А звезды находятся так далеко от Земли, что даже в мощный телескоп кажутся всего лишь светящимися точками.

От мифологии к науке

После средневековья на смену мифам пришли научные объяснения небесным явлениям. На смену, например, древнеегипетскому мифу о том, что Землю и Луну несет по небу на своей спине богиня Нут, пришло понимание того, что Земля вращается вокруг Солнца, а Луна — вокруг Земли.

Исаак Ньютон создал теорию тяготения, и люди начали понимать, что удерживает небесные объекты на их орбитах и почему у планет, находящихся дальше от Солнца, периоды обращения вокруг него больше, чем у планет, находящихся ближе к нему.

Затем появились спектрографы и другие приборы. С помощью этих устройств астрономы определяют температуру звезд, какие вещества входят в их состав, насколько быстро они приближаются к Земле либо удаляются от нее, а также другие основные физические характеристики. Если у космических тел есть магнитные поля, их можно измерить на расстоянии. Можно оценить также силу тяжести на поверхности звезды, плотность ее газа и многое другое. (Слово газ здесь обозначает вещество в газообразном состоянии, а не конкретный газ. Например, железо на звезде — это тоже газ.)

Но, наверное, труднее всего получить сведения о расстоянии до звезд и других объектов, находящихся за пределами нашей Солнечной системы. Одни звезды кажутся яркими, но в действительности это звезды среднего размера, которые просто находятся недалеко ("недалеко" — это значит на расстоянии четырех световых лет или чуть больше, но никак не сотен световых лет; определение светового года приведено в разделе "Световой год" в этой главе). А другие звезды настолько тусклые, что увидеть их можно только в обсерватории в мощный телескоп, хотя, в сущности, они совсем рядом (какой-нибудь десяток-другой световых лет, не больше).

Названия звезд и созвездий

Посетителям лекций в планетарии, которые вытягивали свои шеи, чтобы увидеть звезды, проектируемые над их головами, я привык повторять: "Если вы не видите над головой Большую Медведицу, не волнуйтесь. Волноваться следует, скорее, тем, кто ее видит ".

Древние люди делили небо на воображаемые фигуры, например Большая Медведица (Ursa Major)[4], Лебедь (Cygnus), Персей (Perseus) и Андромеда (Andromeda). Каждая фигура соответствовала некоторой конфигурации звезд. Хотя, честно говоря, большинству людей Андромеда совсем не напоминает силуэт прикованной девушки или что-либо другое в этом роде (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Разве Андромеда прикована?

Сегодня небо делят на 88 созвездий, в которые входят все видимые звезды. Международный астрономический союз (International Astronomical Union), высший руководящий орган в астрономии, определяет границы созвездий, чтобы существовало четкое разделение, к какому созвездию относится каждая звезда. Раньше карты неба рисовали разные астрономы, которые не придерживались единых стандартов. Но так быть не должно. Когда вы читаете, что туманность Тарантул (Tarantula) находится в созвездии Золотая Рыба (Dorado) (подробности— в главе 12), то знаете, что искать ее надо в созвездии Золотая Рыба, расположенном в Южном полушарии.

Самое большое созвездие — это Гидра (Hydra), а самое маленькое — Южный Крест (Crux). На самом деле есть и Северный Крест, но вы не найдете его в списке созвездий, потому что это астеризм в созвездии Лебедя. По поводу названий созвездий существует общая договоренность, но по поводу того, что означает каждое название, согласия нет. Например, некоторые астрономы называют созвездие Золотая Рыба "Рыба-меч", но я за то, чтобы отвергнуть это название. А созвездие Змеи (Serpens) разделено на две несвязанные части, расположенные по обеим сторонам созвездия Змееносца (Ophiuchus), — Голова Змеи (Serpens Caput) и Хвост Змеи (Serpens Cauda).

Отдельные звезды в созвездии обычно никак не связаны между собой, просто с Земли они кажутся расположенными поблизости. Одни звезды могут находиться сравнительно недалеко от Земли, а другие — на гораздо больших расстояниях. Но для наблюдателя с Земли они складываются в определенный рисунок.

Как правило, всем ярким звездам в созвездии древние греки либо астрономы более поздних времен присвоили какую-нибудь греческую букву. Самую яркую звезду любого созвездия обычно называют "альфа" (первая буква греческого алфавита). Вторую по яркости звезду называют "бета" (вторая буква греческого алфавита), и т. д. до "омеги", двадцать четвертой (и последней) буквы. Кстати, все эти греческие буквы — строчные, а не прописные, и пишутся они так: α, β…, ω.

Поэтому Сириус, самая яркая звезда на ночном небе — которая находится в созвездии Большого Пса (Canis Major) — называется Альфа Большого Пса (Alpha Canis Majoris). (Астрономы добавляют в названиях окончания, чтобы получить латинский родительный падеж. Что поделаешь, ученые всегда любили латынь.) В табл. 1.1 приведен список букв греческого алфавита по порядку — названия букв и соответствующие им символы.

Но если сегодня посмотреть на созвездия, то станет ясно, что далеко не всегда порядок яркости звезд точно соответствует греческим буквам, обозначенным на звездной карте. Эти исключения вызваны следующим.

Буквы присваивались на основании наблюдений невооруженным глазом, которые не очень точны.

Со временем авторы звездных атласов меняли границы созвездий, поэтому некоторые звезды переместились в другие созвездия, хотя звездам уже присвоили определенные буквы.

Многие мелкие созвездия и созвездия Южного полушария были нанесены на карты не во времена Древней Греции, а намного позже, поэтому прежние правила не всегда соблюдались.

Через многие столетия после древних греков яркость некоторых звезд изменилась.

В качестве примера можно привести созвездие Лисички (Vulpecula), в котором только одной звезде присвоена греческая буква (альфа).

У астрономов нет специальных названий, таких как Сириус, для каждой звезды созвездия Большого Пса, поэтому они просто называют их греческими буквами или другими символами. На самом деле существуют созвездия, в которых нет ни одной поименованной звезды. (Не "покупайтесь" на рекламу, в которой предлагают дать имя звезде за определенную сумму денег. Международный астрономический союз не признает "купленных" звездных названий.) В других созвездиях звездам присваивали греческие буквы, но оказалось, что в них больше 24 легкоразличимых звезд, и греческих букв не хватило. Поэтому многим звездам астрономы присвоили цифры и буквы латинского алфавита: например 236 Лебедя (236 Cygni), b Лисички (b Vulpeculae), HR 1516 и т. д. Есть даже звезды, которые называются RU Lupi и SX Sex (честное слово, я это вовсе не выдумал). Но как и любые другие звезды, их можно определить не по названиям, а по положению на небе (указанному в астрономических таблицах), блеску, цвету и друг им характеристикам.

Если вы заглянете в звездный атлас, то увидите, что отдельные звезды в созвездии не отмечены как α Canis Majoris, β Canis Majoris и т. д. Обычно область всего созвездия обозначена как "Canis Major", а отдельные звезды — просто как α, β и т. д. Когда в каком-нибудь астрономическом журнале вы читаете про звезду, которая предлагается в списке объектов для наблюдения, то, скорее всего, она не будет упомянута ни как Alpha Canis Majoris, ни даже как α Canis Majoris. Вместо этого для экономии места она будет обозначена как α Cma; "Cma" — это сокращение Canis Majoris. Сокращенные обозначения созвездий приведены в табл. 1.2.

Поскольку альфа — не всегда самая яркая звезда в созвездии, для описания "высокого" статуса самой яркой звезды нужен другой термин. Этот термин — люцида (lucida). Люцида Большого Пса — Сириус (в данном случае α Большого Пса), но люцида Ориона (Orion) — Ригель (β Ориона) и люцида Малого Льва (Leo Minor) (не очень заметного созвездия) — просто 46 Малого Льва (46 Leo Minoris).

В табл. 1.2 перечислены 88 созвездий, их самые яркие звезды и звездные величины последних. Звездная величина (magnitude) — это мера яркости звезды. (О звездных величинах мы поговорим немного позже в разделе "Чем меньше, тем ярче: что такое звездная величина".) Если люцида созвездия совпадает с его альфой и у нее есть название, я просто привожу его. Например, самая яркая звезда созвездия Возничего — Капелла, она же α Возничего. Но если люцида не совпадает с альфой, я указываю соответствующую ей греческую букву либо другое обозначение в скобках. Например, люцида Рака — Аль-Тарф (β Рака).

Определить звезды было бы намного проще, будь у них, как у делегатов конференций, маленькие бэйджики с именами, которые можно рассмотреть в телескоп.

Каталог Мессье

Надеюсь, с названиями звезд вам все ясно. А как насчет всех остальных небесных объектов? (О галактиках, туманностях, звездных скоплениях и прочем подробно говорится в части III.) Шарль Мессье (Charles Messier), французский астроном, живший в конце XVIII века, составил список примерно 100 космических объектов и пронумеровал их. Этот список получил название Каталог Мессье (Messier Catalog). В этом каталоге объекты обозначаются буквой М, а затем следует номер по каталогу. Поэтому, когда вы услышите, что галактику Андромеды (или туманность Андромеды) называют М31, то будете знать, что это ее обозначение в каталоге Мессье. Сегодня в стандартном Каталоге Мессье насчитывается 110 объектов.

Фотографии объектов из каталога Мессье можно найти, например, на сайте http://www.ipac.caltech.edu/2mass/gallery/messiercat.html.

Опытные астрономы-любители часто участвуют в так называемых Мессье-марафонах, когда каждый участник пытается увидеть все объекты из каталога Мессье в течение одной ночи. Но у участников марафона нет времени на то, чтобы полюбоваться какой-нибудь туманностью, звездным скоплением или галактикой. А я считаю, что лучше не спешить и наслаждаться своеобразной красотой и очарованием этих космических объектов. Об объектах Мессье есть замечательная книга Stephen J. O'Meara, The Messier Objects (Cambridge University Press and Sky Publishing Corporation, 1998), в которой даются советы, как наблюдать каждый из этих объектов.

Существуют тысячи других объектов дальнего космоса (deep sky objects). Этот термин астрономы-любители используют для обозначения звездных скоплений, туманностей и галактик, чтобы отличать их от звезд и планет. Многие из них вы найдете в звездных атласах и картах под их номерами NGC (New General Catalogue — Новый общий каталог ) и IC (Index Catalogue — Индексный каталог ). Например, двойное звездное скопление в созвездии Персея состоит из объектов с номерами NGC 869 и NGC 884.