Issuu on Google+

LXXVIII Liceum Ogólnokształcące im. Marii Pawlikowskiej Jasnorzewskiej

Michał Dyński

ASTRONOMIA

Warszawa 2013 1|Strona


SPIS TREŚCI 1. Co to jest Astronomia?………………………………...……..3 2. Rewolucja naukowa………………………………….………4 3. Astronomia obserwacyjna…………………..……….……..6 4. Astronomia teoretyczna…………………………..………..7 5. Badania interdyscyplinarne…………………..……………9 6. Główne problemy…………………………….…………….10

2|Strona


1. Co to jest Astronomia? Astronomia (gr. ἀστρονομία astronomía) – nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem ciał niebieskich (np. gwiazd, planet, komet, mgławic, gromad i galaktyk) oraz zjawisk, które zachodzą poza Ziemią, jak również tych, które oddziałują w jej atmosferze, wnętrzu lub na powierzchni, a są pochodzenia pozaplanetarnego

(np.

neutrina,

wtórne

promieniowanie

kosmiczne).

Skoncentrowana jest na fizyce, chemii, meteorologii i ruchu ciał niebieskich, zajmuje się także powstaniem i rozwojem (ewolucją) Wszechświata. Astronomia jest jedną z najstarszych nauk. Kultury prehistoryczne pozostawiły astronomiczne artefakty, takie jak egipskie piramidy, czy Stonehenge. Cywilizacje, takie jak: Babilończycy, Grecy, Chińczycy, Hindusi i Majowie wykonywali metodyczne obserwacje nocnego nieba. Jednakże dopiero wynalezienie teleskopu sprawiło, że astronomia była w stanie przekształcić się w nowoczesną naukę. Historycznie w astronomię włączano tak różne dyscypliny,

jak

astrometria,

astronawigacja,

astronomia

obserwacyjna,

tworzenie kalendarzy, a nawet astrologia. Obecnie pojęcie profesjonalnej astronomii jest niemal tożsame z pojęciem astrofizyki. W XX wieku w dziedzinie astronomii nastąpił podział na oddziały obserwacyjne i teoretyczne. Astronomia obserwacyjna koncentruje się na pozyskiwaniu danych z obserwacji ciał niebieskich, które są następnie analizowane przy użyciu podstawowych zasad fizyki. Astronomia teoretyczna jest zorientowana na rozwój przy pomocy komputerów i modeli analitycznych do opisu zjawisk i obiektów astronomicznych. Te dwie dziedziny wzajemnie się uzupełniają,

3|Strona


astronomia teoretyczna stara się wyjaśnić wyniki obserwacji, a dane obserwacyjne służą do weryfikacji modeli teoretycznych. Astronomowie-amatorzy

przyczynili

się

do

wielu

ważnych

odkryć

astronomicznych, a astronomia jest jedną z niewielu nauk, gdzie amatorzy mogą nadal odgrywać aktywną rolę, zwłaszcza w dziedzinie odkrywania i obserwacji zjawisk przejściowych. Astronomii nie należy mylić z astrologią, która jest pseudonaukowym systemem przekonań utrzymującym, że sprawy ludzkie są skorelowane z pozycjami ciał niebieskich. Mimo że obie dziedziny mają wspólne pochodzenie i część metod (np. wykorzystywanie efemeryd), są to odrębne pojęcia.

2. Rewolucja naukowa W okresie renesansu Mikołaj Kopernik zaproponował heliocentryczny model Układu Słonecznego (jako pierwszy zaproponował go Arystarch z Samos). Jego teoria została później obroniona, rozszerzona i poprawiona przez Galileusza i Johannesa Keplera. Galileo Galilei zrewolucjonizował obserwacje: używał teleskopu i systematycznie stosował metodę doświadczalną w badaniu zjawisk przyrody, a swoje obserwacje astronomiczne skrupulatnie szkicował i opisywał. Kepler natomiast jako pierwszy w prawidłowy sposób opisał ruch ciał niebieskich wokół Słońca. Stwierdził, że planety poruszają się po eliptycznych orbitach, a nie kołowych, jak dotąd sądzono. Nie udało mu się jednak sformułować właściwej teorii na podstawie swoich zapisków. Dopiero Isaac Newton przedstawił prawo powszechnego ciążenia oraz prawa ruchu

4|Strona


pozwalające ostatecznie wyjaśnić ruchy ciał niebieskich. Skonstruował również teleskop zwierciadlany. Dalsze odkrycia szły w parze z poprawą jakości i wielkości teleskopów. Bardziej obszerne katalogi gwiazd były sporządzane przez Nicolasa Louisa de Lacaille. Z kolei William Herschel sporządził szczegółowy katalog mgławic i gromad, a w roku 1781 odkrył Urana, pierwszą nową planetę. W 1838 Bessel po raz pierwszy zmierzył odległość do innej gwiazdy – 61 Cygni, przy pomocy paralaksy. XVIII–XIX wieku zwrócenie uwagi przez Eulera, Clairauta i D’Alemberta na problem trzech ciał pozwoliło dokładniej prognozować ruch Księżyca i planet. Ich praca rozwijana później przez Lagrange’a i Laplace’a pozwoliła również szacować masę tych obiektów na podstawie ich perturbacji. Znaczący postęp w astronomii nastąpił wraz z wprowadzeniem nowych technologii, w tym spektroskopu i fotografii. W latach 1814–1815 Fraunhofer odkrył około 600 linii absorpcyjnych Słońca, nazwanych później na jego cześć. Inne gwiazdy okazały się być podobne do Słońca, różniły się rozmiarami, temperaturami i masą. Istnienie Drogi Mlecznej jako oddzielnej grupy gwiazd stwierdzono w XX wieku wraz z odkryciem innych galaktyk. Wkrótce po tym dowiedziono, że Wszechświat się rozszerza, a większość galaktyk oddala się od Drogi Mlecznej. Odkryto również wiele egzotycznych obiektów, takich jak: kwazary, pulsary, blazary i galaktyki radiowe. Obserwacje tych obiektów wykorzystano do opracowania teorii fizycznych oraz opisów innych zjawisk takich jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe. Dużego postępu w XX wieku dokonała kosmologia fizyczna. Powszechnie przyjęto Teorię Wielkiego Wybuchu silnie

5|Strona


wspieraną przez dowody dostarczane przez astronomów i fizyków, takie jak kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła czy prawo Hubble’a.

3. Astronomia obserwacyjna Astronomia obserwacyjna to dział astronomii zajmujący się obserwacjami nieba jako podstawowym źródłem danych. Obserwacje astronomiczne prowadzone są za

pomocą

instrumentów

naziemnych,

oraz

satelitów

wyposażonych

w przyrządy obserwacyjne. Do instrumentów naziemnych zalicza się przede wszystkim

teleskopy,

oraz

radioteleskopy.

Umieszczenie

przyrządu

obserwacyjnego na orbicie jest niezwykle kosztowne, ale daje ogromne możliwości ze względu na brak wpływu atmosfery. W ostatnich latach nastąpił jednak szybki rozwój technologii konstruowania teleskopów naziemnych warto tu wspomnieć o systemach optyki aktywnej i optyki adaptatywnej – dzięki któremu współczesne teleskopy naziemne nie pozostają daleko w tyle za orbitalnymi. Jednym z najbardziej czułych przyrządów jest teleskop Kecka na Mauna Kea (Hawaje).

Radioteleskopy

pozostają

pod

wielkim

wpływem

zakłóceń

powodowanych przez różnego rodzaju sprzęt elektroniczny stosowany wszędzie i coraz powszechniejszy; wolny od tego rodzaju zakłóceń mógłby być np. radioteleskop umieszczony po niewidocznej z Ziemi stronie Księżyca, ale w najbliższych latach takie przedsięwzięcie nie będzie jeszcze możliwe. Teleskopy orbitalne borykają się z innego rodzaju problemami: skrajnie trudnymi

warunkami

kosmicznej

próżni

(np.

wahania

temperatur),

niemożliwością wykonania naprawy (wyjątkiem jest tu bardzo kosztowna, ale udana naprawa Kosmicznego Teleskopu Hubble'a (HST) w 1993 roku), a przede wszystkim z kosztami wyniesienia ich na orbitę. 6|Strona


Astronomia obserwacyjna rozwija się w bardzo szybkim tempie: niemal dokonuje się nowych odkryć, a powszechnie uznawane teorie zmieniają się na przestrzeni

tygodni

lub

miesięcy.

Ponadto

astronomia

obserwacyjna

wykorzystuje ścisłą współpracę zawodowych obserwatorów z amatorami – dzięki temu rozwija się szybciej, a fascynaci mają możliwość uczestniczyć w zgłębianiu wiedzy o wielkim Wszechświecie, o którym ciągle wiemy tak mało. Nośnikiem informacji na drodze od obiektu do obserwatora w tradycyjnej astronomii jest światło, czyli fala elektromagnetyczna, ale obserwacji można też dokonywać poprzez rejestrację promieni kosmicznych, neutrin (zob. astronomia neutrinowa) lub detekcje fal grawitacyjnych. Obserwacje prowadzi się stosując dwa komplementarne podejścia: obserwacja pojedynczego obiektu lub przegląd nieba. W pierwszym przypadku obserwacje wyselekcjonowanych obiektów są możliwie dokładne, natomiast w przypadku przeglądów nieba obserwacje są mniej dokładne, ale ich celem jest przede wszystkim poszukiwanie nowych obiektów. Metoda polega na systematycznym rejestrowaniu obrazów wybranego fragmentu nieba, a następnie znajdowane obiekty są katalogowane i klasyfikowane. Przeglądy nieba wykonywane są w różnych zakresach widmowych, a katalogi niekiedy zawierają nawet setki tysięcy obiektów.

4. Astronomia teoretyczna Astronomia teoretyczna wykorzystuje różnorodne narzędzia, które obejmują modele analityczne (np. modele politropowe do opisu struktury gwiazdy) 7|Strona


i obliczeniowe symulacje numeryczne. Każdy z nich ma pewne zalety. Modele analityczne procesu są lepsze do uzyskiwania wglądu w naturę zjawiska. Modele numeryczne są niezbędne do bardziej precyzyjnego opisu zjawisk złożonych i odtwarzają zjawiska i efekty, których w modelach analitycznych nie widać. Astronomowie teoretycy tworzą i rozwijają modele teoretyczne, które wyjaśniają obserwowane zjawiska oraz przewidują istnienie nowych. To pomaga obserwatorom szukać danych, które mogą obalić model lub pomóc w wyborze pomiędzy kilkoma modelami równorzędnymi lub sprzecznymi. Teoretycy modyfikują swoje modele w miarę napływania nowych obserwacji. W przypadku niezgodności modelu i obserwacji często wystarczy niewielka modyfikacja parametrów modelu lub założeń, aby model dopasować do danych. Poważne sprzeczności modelu i obserwacji z czasem prowadzą do zarzucenia koncepcji związanej z danym modelem i poszukiwania całkowicie nowych rozwiązań. Zagadnienia badane przez astronomów teoretyków to między innymi: mechanika nieba, ewolucja gwiazd, powstawanie galaktyk, wielkoskalowa struktura Wszechświata, pochodzenie promieniowania kosmicznego, ogólna teoria względności oraz kosmologia, w tym zagadnienia związane z teorią strun, a także astrofizyka cząstek, czy cykl CNO, który jest źródłem energii dla masywnych gwiazd. Narzędziem do badania wielu aspektów, takich jak wielkoskalowa struktura Wszechświata, procesy w pobliżu czarnych dziur czy emisji fal grawitacyjnych jest ogólna teoria względności. Przykładem szeroko akceptowanego i ogólnie przyjętego modelu jest model Lambda-CDM, którego składnikami są: teoria Wielkiego Wybuchu, teoria

8|Strona


inflacji kosmicznej, ciemna materia, ciemna energia oraz fundamentalne teorie fizyki.

Wizualizacja wielkoskalowej struktury wszechświata – widoczna jest Wielka Ściana Sloan o długości 1,37 miliarda lat świetlnych

5. Badania interdyscyplinarne Astronomia i astrofizyka posiada znaczące powiązania interdyscyplinarne z innymi

ważnymi

dziedzinami nauki. Archeoastronomia jest

nauką

o starożytnej lub tradycyjnej astronomii w ich kontekście kulturowym z

wykorzystaniem

dowodów

archeologicznych

i

antropologicznych.

Astrobiologia jest nauką o możliwości pojawienia się i ewolucji systemów biologicznych we Wszechświecie ze szczególnym naciskiem na możliwość życia na lądzie. Badanie związków chemicznych znajdujących się w przestrzeni kosmicznej, w tym ich powstawania, oddziaływań i rozpadu, nosi nazwę astrochemii. Związki te zwykle znajdują się w obłokach molekularnych, choć mogą 9|Strona


występować również w gwiazdach o niskiej temperaturze, brązowych karłach i planetach. Kosmochemia to badania substancji chemicznych znajdujących się w Układzie Słonecznym, w tym pochodzenia pierwiastków i zmian proporcji izotopach. Obie te dziedziny stanowią nakładanie się dziedzin astronomii i chemii. W astronomii śledczej metody pochodzące z astronomii zostają użyte do rozwiązania problemów prawa i historii, w szczególności do datowania wydarzeń.

6. Główne problemy Choć astronomia dokonała olbrzymiego postępu w zrozumieniu natury Wszechświata i jego zawartości, to zarazem postawiła niezwykle ważne pytania, które nadal pozostają bez odpowiedzi. Odpowiedź na niektóre z nich będzie wymagała zarówno konstrukcji nowych urządzeń badawczych naziemnych i satelitarnych, jak i postępu w fizyce teoretycznej i doświadczalnej.  Co odpowiada za obserwowany początkowy rozkład mas gwiazd,

a precyzyjniej, dlaczego obserwuje się ten sam rozkład mas gwiazd niezależnie od warunków początkowych? Potrzebujemy głębszego zrozumienia powstawania gwiazd i planet.  Czy istnieje inne życie we Wszechświecie, czy istnieje pozaziemska

inteligencja? Jeżeli tak, to jakie jest wyjaśnienie paradoksu Fermiego? Istnienie życia poza Ziemią ma ważne naukowe i filozoficzne implikacje. Czy Układ Słoneczny jest przeciętnym układem?

10 | S t r o n a


 Co spowodowało powstanie Wszechświata? Czy przesłanka za hipotezą

działania zasady antropicznej jest poprawna? A jeśli tak, to czy jest to rezultat działania selekcji naturalnej na poziomie Wszechświata? Co spowodowało inflację kosmologiczną, w wyniku której powstał jednorodny Wszechświat? Dlaczego występuje asymetria barionowa?  Jaka jest natura ciemnej materii i ciemnej energii? Te dwie formy materii

determinują ewolucję i przyszłość Wszechświata, a jednak ich natura pozostaje nieznana. Jak będzie wyglądało ostateczne stadium ewolucji Wszechświata?  Jak powstały pierwsze galaktyki? Jak powstały supermasywne czarne

dziury?  Gdzie powstaje wysokoenergetyczne promieniowanie kosmiczne?

11 | S t r o n a


Michał Dyński ''Astronomia''