Урок №1. АСТРОНОМІЯ І ЦИВІЛІЗАЦІЯ.

1. Небагато з історії астрономії.

Астрономія – наука, яка вивчає будову Всесвіту, рух, фізичну природу, походження і еволюцію небесних тіл і утворених ними систем. Практично всю інформацію про небесні тіла приносить нам електромагнітне випромінювання. І лише в останні сорок років окремі світи почали вивчати безпосередньо: зондувати атмосфери планет, вивчати місячний і марсіанський грунт.

Чому астрономію називають якнайдавнішою з наук? Все повторюється в небі над нами: щоночі сходять і заходять зірки, міняються місячні фази, Сонце знаходить свій шлях між зірок. Швидше за все, саме ці закономірності були відкриті першими астрономами, що сиділи біля первісного багаття. Рух Місяця був покладений в основу першого місячного календаря, потім було відкрито рух Сонця, і з'явився сонячний календар. В цей же час досягла розквіту і «небесна» міфологія: первісні люди обожнювали Сонце, Місяць і інші світила, здійснювали різні обряди, щоб задобрити небесних богів. За декілька тисяч років до наший ери в долинах крупних річок (Ніл, Евфрат, Ганг, Хуанхе) осіли землероби. Календар, що складався жерцями Сонця і Місяця, почав відігравати велике значення в їх житті. Спостереження за світилами жерці проводили в стародавніх обсерваторіях, що одночасно були і храмами. Археологи знайшли досить багато подібних обсерваторій. Прості з них – мегаліти – це були один або декілька каменів, розташованих в строгому порядку один щодо одного. Мегаліти відзначали місця сходу і заходу світил в певну пору року. Однією з найвідоміших споруд старовини є Стоунхендж, розташований в Південній Англії. Обсерваторією є 30 укопаних каменів заввишки більше 5 м з покладеними зверху плитами, що складали кільце діаметром майже 30 м. Усередині нього розташовувалися ще декілька каменів. Зараз учені вважають, що Стоунхендж будувався між 1900 і 1600 рр. до н.е. Його основна функція – спостереження Сонця і Місяця, визначення днів зимового і літнього сонцестояння, прогноз місячних і сонячних затемнень. Стоунхендж – це своєрідний комп'ютер кам'яного століття.

Найважливіша подія в житті такої сільськогосподарської країни, як Єгипет, – розливи Ніла – визначалося за сходом Сіріуса і літньому сонцестоянню. У Єгипті вже існував місячно-сонячний календар, що ділив рік на 365 діб і 12 місяців. Хоча астрономічний рік – повний оберт Землі навколо Сонця - це 365 діб 5 годин і 48 хвилин. Доба ділилася на день і ніч по 12 годин. Єгиптяни ділили небо на сузір'я, знали про існування планет, уміли визначати висоту Сонця над горизонтом. Новий поштовх астрономія отримує, коли на європейському континенті виникає грецька цивілізація. Греки, а услід за ними і римляни, використовували місячно-сонячний календар. Неточність календаря компенсували тим, що вставляли в деяких місяця додаткові дні. Часто при цьому переслідувалися політичні або економічні цілі. Щоб уникнути цього в 46 р. до н.е. Юлій Цезар вводить юліанський календар, який у наш час називається «Старим стилем». Першою людиною, що займалася систематичними спостереженнями світил, став Гіппарх (2 ст. до н.е.). Учений склав величезний на ті часи каталог положень 850 зірок, розділивши їх по блиску на 6 ступенів (зоряних величин). Гіппарх ввів географічні координати - широту і довготу, і його можна вважати засновником математичної географії. Він відкрив явище прецесії земної осі, першим правильно оцінив відстань від Землі до Місяця і її розміри, обчислив тривалість року з точністю до 7 хвилин. Його послідовник – александрійський вчений Птолемей (2 ст. н.е.) – написав найбільшу астрономічну працю античності – «Альмагест», в якій систематизував всі астрономічні знання своєї епохи і описав власну геоцентричну систему світу, яка панувала в європейській науці впродовж п'ятнадцяти століть. Тільки у XV столітті під впливом античної культури Європа прокинулася від важкого сну, званого Середньовіччям. Поворот в світогляді пов'язують з польським вченим Міколаєм Коперником, що жив на межі XV і XVI століть. Саме він в свідомості мільйонів людей став автором геліоцентричної картини світу. Услід за цим Іоганн Кеплер експериментально відкриває закони руху небесних тіл. А в 1609 році в астрономії відбулася нова революція: використовуючи винайдену голландцями зорову трубу, Галілео Галілей створює телескоп і вперше направляє його на небо. Перерахування відкриттів, зроблених з його допомогою, зайняло б цілу сторінку. Але над головою ученого вже згущувалися хмари. У 1600 році був страчений Джордано Бруно за те, що дотримувався теорії Коперника, а в 1633 інквізиція змусила Галілея відректися від свого учення. Але прогрес вже було не зупинити. В середині XVII в. Ісаак Ньютон відкриває закон всесвітнього тяжіння, чим підтверджує правильність законів Кеплера. XX почався з повалення механіки Ньютона як універсального принципу всесвіту. Два великі відкриття: теорія відносності Ейнштейна і квантова механіка Планка – Бору – Дирак повністю перетворили існуючу картину миру. Змінили вони і астрономію. Олександр Фрідман в 1922 році став автором теорії Всесвіту, що розширюється, а Георгій Гамов в 1946 році на підставі цієї теорії запропонував гіпотезу "Великого вибуху", якої учені дотримуються до цих пір.

Зараз на початку ХХI століття астрономічна наука переживає нову революцію. Найбільша подія останніх років в астрономії це відкриття прискореного розши-рення Всесвіту, яке говорить про наявність у Всесвіту ще однієї форми матерії- "темної енергії", що володіє антигравітаційними властивостями. Сто років тому ми з гордістю могли сказати, що знаємо на 95%, з чого складається Всесвіт, зараз ми говоримо, що знаємо тільки на 5%, з чого складається наш Всесвіт, але, не дивлячись на це, наші знання за сто років значно виросли. Основним джерелом інформації про космічні тіла і взагалі явища тих, що відбуваються Всесвіту як і раніше залишаються спостереження. На жаль, до більшості космічних об'єктів ми ніколи не доторкнемося і ніколи експерименту по народженню навіть найменшої зірки не проведемо. Але треба, з гордістю за людство, сказати, що воно значно просунулося в методах отримання інформації навіть за останніх 400 років, з моменту створення першого оптичного телескопа Галілеєм. Звичайно, гігантський стрибок доводиться на 20 вік і зв'язаний він з успіхами в практичній космонавтиці і фундаментальній фізиці. У XX столітті астрономія стала всехвилевою, тобто для спостережень використовується весь електромагнітний спектр. Сучасні телескопи працюють не тільки в оптичному діапазоні спектру, але і в інфрачервоному, радіо, ультрафіолетовому, рентгенівському і навіть гамма-диапазоне. На підході астрономія нейтрино і гравітаційної - отримання інформації з космосу за допомогою нейтрино і гравітаційних хвиль. І тепер древо сучасних астрономічних наук виглядає так, як показано на малюнку.

2. Астрономічні відстані.

Ми зараз з вами побудуємо модель Всесвіту в деякому масштабі, який здатна представити наша уява. Спершу представимо Землю у вигляді кулі діаметром 10 см. У наший моделі висота колишньої станції "Мир" над "земною" поверхнею склала б 2.7 мм (350 км.). У такому масштабі Місяць буде кулькою діаметром 3 см, відстань яких від Землі 3м. Моделлю Сонця буде куля діаметром 10 м, віддалений від Землі на 1 км. Щоб мати уявлення про сонячну систему, виберемо масштаб подрібніше – відстань від Землі до Сонця, рівне 150 млн км. або 1 астрономічна одиниця (1а.о.), приймемо за 1м, тобто масштаб 1: 150 млрд. Сонце буде кулькою діаметром 1 см, навколо якого по колу радіусом 1 м обертається Земля, - піщинка діаметром приблизно 0.1 мм. Тоді Місяць зобразиться порошинкою діаметром 0.03 мм на відстані всього 2.6 мм від Землі. Решта планет виглядатиме таким чином. Мекурій і Венера і Марс - кульки діаметрами 0.03, 0.1 і 0.05 мм, на відстанях 40, 70 і 150 см від Сонця відповідно. Зовнішня частина сонячної системи більш пустинна: Юпітер діаметром 0.9 мм, Сатурн - 0.8 мм, Уран і нептун - по 0.3 мм Плутон - 0.015 мм на відстанях відповідно 5.2, 9.5, 19, 30 і 40 м від Сонця. Тобто навіть в такому масштабі планетна система буде розміром з футбольне поле. Ще далі розташовані зірки. З них найближча - а Центавра, в наший моделі буде представлена двома кульками діаметром по 1 см, віддалених від такої ж кульки - Сонця на відстань 278 км. Для представлення Галактики виберемо масштаб 1 парсек (пк) в 1см. (1 пк = 206 тис. а.о.). Тоді в околицях Сонця середня відстань між зірками складе 1.5 см. Правда, самі зірки при цьому зобразити вже нічим, оскільки вони будуть набагато менше розміру атома. До найближчих до Сонця зірок (система а Центавра) буде 1.3 см, до зірки Барнарда - 1.8 см, до Сіріуса - 2.7 см, до Арктура - 11 см, до Бетельгейзе - 2 м. Галактичний центр доведеться розташувати в 100 м від Сонця. Галактика є диском діаметром 300м. Перехід до світу галактик зажадає подальшого зменшення масштабу - до 10 кпк в 1 см. При цьому наша Галактика – Чумацький Шлях, зобразиться невеликим диском діаметром 3 см. Супутники Галактики - Велика і Мала Магелланові Хмари - виглядатимуть ще скромніше - діаметрами 9 і 3 мм, на відстанях відповідно 5 і 7 см. Галактика М31 (Туманність Андромеди) матиме форму диска діаметром приблизно 10 см, і від центру Галактики вона буде видалена на 70 см. Вся Місцева група (близько 40 галактик) в такому масштабі легко уміщатиметься в сфері діаметром 2 м. Найближчі сусідні групи галактик розташуються в 2-5 м від Місцевої групи, а в межах 10-20 м від неї буде декілька десятків таких груп. Найближче крупне скупчення галактик в сузір'ї Діви матиме діаметр 5 м (у скупчення входить близько 200 галактик) і видалено на 20 м від нашої Галактики. Є припущення, що це скупчення - центр надскупчення, яке об'єднує близько 20000 галактик, у тому числі і Чумацького шляху, і в нашому масштабі має діаметр 60 м. Поряд з нашим Надскупченням розташуються інші - в Леві (на відстані 140 м) і Геркулесові (190 м). Найближчий квазар (квазари – це ядра деяких галактик в особливій стадії еволюції, що виділяють величезну кількість енергії) доведеться віддалити на 630 м, а найдальші квазари - на 3.7 км. «Краю» наший Метагалактики (13,7 млрд. св. років) в такій моделі відповідатиме відстань 4.6 км

3. Чому астрономія необхідна сучасній цивілізації?

Звичайно, пройшли ті часи, коли астрономічні спостереження були необхідні, щоб прокласти курс корабля у відкритому морі, визначити тривалість року або час початку сівби. Сьогодні ці питання вирішуються за допомогою технічних засобів. Але астрономія як і раніше важлива для людства. При відповіді на це питання можна говорити про два різні аспекти: філософсько-духовному і практичному.

У духовному сенсі: Астрономія корисна тому, що вона прославляє нас над нами самими; вона корисна тому, що вона велична; вона корисна тому, що вона прекрасна. Саме вона виявляє нам, як нікчемна людина тілом і як великий він духом, бо розум його в змозі обійняти сяючі безодні, де його тіло є лише темною крапкою, в змозі насолодитися їх безмовною гармонією. Так ми приходимо до свідомості своєї потужності, і це свідомість багато що коштує, тому що робить нас сильніше, - так писав великий фізик, математик і астроном - Анрі Пуанкаре.

Але ще важливіше роль астрономії в реальному житті сучасного людства, астрономія необхідна для виживання цивілізації, тому що космос створює постійні загрози для нашої цивілізації.

Проблеми сьогоднішнього дня. Погодні умови на Землі багато в чому залежать від гігантських вибухів на Сонці, що супроводжуються спалахами і викидами космічної речовини. Порушується робота електронних пристроїв космічних апаратів, ушкоджуються наземні енергетичні мережі, створюється реальна загроза здоров'ю екіпажів космічних станцій. Залежно від енергії, час, за який сонячні частинки досягають земної поверхні, може складати від 10 хвилин до декількох годин. Надійний і точний прогноз і попередження про сонячну активність важливий для нормальної роботи апаратури зв'язку і навігації, і може допомогти заощадити сотні мільйонів доларів, що витрачаються на обслуговування і відновлення пошкоджених систем.

Проблеми завтрашнього дня. Стівен Хокінг, видатний сучасний фізик, людина незвичайно складної долі, висловив похмуре припущення з приводу виживання людства в прийдешньому тисячолітті. Підставою для цього послужив парниковий ефект, який, на думку Хокінга, приведе до необоротного підвищення температури. Альтернативою є освоєння інших планет. Без колонізації космосу у людства дуже мало шансів вижити, вважає відомий учений. Хоча і без цієї причини, колонізація планет сонячної системи обов'язково почнеться не пізніше середини ХХI століття. І першою планетою, що обживається, буде Марс. Без астрономії тут ніяк не обійтися.

Проблеми недалекого майбутнього. Астероїд Ікар в 1968 році наблизився до Землі на відстань 6 млн км. Якби Ікар зіткнувся із Землею, то відбувся б вибух, еквівалентний вибуху 100 Мт тротилу, або вибуху ста атомних бомб. Використовуючи дані про ударні кратери на поверхні Землі, планет і їх супут-ників, астрономи прийшли до наступних оцінок: зітк-нення з крупними астероїдами, які можуть привести до глобальних катастроф в розвитку Землі, відбуваються приблизно раз в 500 тис. років; зіткнення з малими астероїдами відбуваються частіше (кожні 300 років), але наслідки цих зіткнень носять лише локальний ха-рактер. На основі орбіт вже вивчених астероїдів астрономи склали список потенційно небезпечних відомих астероїдів, які пройдуть на критичній відстані від Землі до кінця XXI століття. Цей список налічує більше 300 об'єктів. Орбіти найбільш великих з них показані на ма-люнку. В цілому ж астрономи вважа-ють, що число небез-печних і поки що не виявлених небезпечних астероїдів є близько 2500. Саме ці таємничі мандрівники і представля-ють головну небезпеку майбутньому Землі. І ось ще два зовсім свіжих факти. 17 червня 2002 року був відкритий новий астероїд, орбіта якого перетинає орбіту Землі. Новий астероїд має діаметр, правда, всього 100 метрів. Після розрахунку його орбіти, виявилось, що за три дні до відкриття він пролетів на відстані всього в 120 тисяч км. від Землі ( що приблизно в 3 рази менше відстані до Місяця). На малюнку показана приблизна траєкторія астероїда. Видно, що відстань від Місяця до Землі він пролетів менш, ніж за добу. 2 вересня 2003 року з'явилося повідомлення, що знову виявлений астероїд розміром вже 1,5 км. загрожує Землі зіткненням 21 березня 2014 року.

Всі приведені вище факти ставлять головне питання. Що робити? Відповідь на це питання стосовно малих тіл Сонячної системи повинна містити два аспекти: астрономічний — необхідно завчасно відкрити невідомі і потенційно небезпечні об'єкти як можна більшій відстані від Землі, обчислити їх точні орбіти і передбачити момент можливої небезпеки; технічний — необхідно ухвалити рішення і їх реалізувати, щоб уникнути можливого зіткнення. Для вирішення астрономічної частини створена мережа телескопів. Це дозволить виявити приблизно 90% небезпечних астероїдів і, маючи резерв часу в декілька місяців, ухвалити необхідні рішення. До справжнього моменту існує вже декілька технічних проектів, як позбавитися від конкретних астероїдів.

Проблеми далекого майбутнього. Але, на жаль, не тільки зіткнення несуть в собі глобальні наслідки для Землі. Відзначимо стисло ще три можливі небезпеки, витікаючі з космосу. І перша небезпека виходить від Сонця, породжувача життя на Землі.

Майбутнє життя Сонця. Астрофізики можуть розрахувати всі етапи життя зірки. Згідно розрахункам, наприклад, через 8 млрд років Сонце перетвориться на червоний надгігант, збільшивши свій розмір в 170 разів, поглинувши при цьому Меркурій. Неважко підрахувати, що на нашому небі Сонце виглядатиме як червона куля, що займає половину небесної сфери. В результаті температура на Землі підвищиться, почнеться інтенсивне випаровування океанів, із-за чого збільшиться непрозорість атмосфери, що викличе так званий парниковий ефект: Земля стане дуже гарячішою. Подальше роздування Сонця приведе до того, що і Земля вже обертатиметься фактично усередині Сонця. Згідно цьому сценарію, Землі уготовлена не дуже приємна доля. Тертя Землі і частинок газу Сонця зменшуватиме орбітальну швидкість Землі, в результаті Земля по спіралі падатиме до центральних областей Сонця. Це приведе до того, що Сонце нагріватиме Землю до надзвичайно високих температур, перетворивши її на розжарені скелі без всяких ознак наявності води в океанах і, природно, житті.

Спалахи наднових. Інші зірки, які мають більшу масу,ніж Сонце, закінчують життя інакше. На певній стадії вони вибухають, виділяючи при цьому гігантску энергію (такую смерть зірки астрономи називають спалахом наднової). Остання померла зірка, яку люди, що живуть на Землі, могли спостерігати неозброєним оком, - це наднова у Великій Магелановій хмарі , що спалахнула в 1987 році. Перед цим наднова спалахнула 11 листопада 1572 року в сузір'ї Касіопеї. Вона була яскравіша за всі зірки і планети на нічному небі і поступово гаснула протягом 17 місяців. Є припущення, що спалах наднової або нової відбувся і в рік народження Ісуса Христа, про що оповідає нам Біблія. «Коли ж народився Ісус у Віфлеємі Іудейському, в дні царя Ірода, прийшли до Єрусалиму волхви зі сходу і говорять: де цар, що народився, Іудейський? Бо ми бачили зірку його на сході і прийшли поклонитися Йому.» Хоча більшість дослідників вважають, що це була комета Галлея і народився Христос на початку вересня 12 року до н.е., коли ця яскрава комета була видна із Землі неозброєним оком.

Деякі астрономи вважають, що вибух наднової міг відбутися у близької до Сонця зірки 65 млн років назад. Згідно сценарію, описаному цими авторами, викинута речовина після вибуху через декілька тисяч років досягла Землі. Воно містило релятивістські частинки, які при попаданні в атмосферу Землі викликали інтенсивний потік вторинних космічних частинок, які досягши поверхні Землі підвищили радіоактивність в 100 разів. Це неминуче привело б до мутацій в живих організмах з подальшим їх зникненням або навпаки різкою зміною ознак. В майбутньому такий спалах не дуже вірогідний. Проте все ж таки слід зазначити, що приведені міркування засновані на середніх оцінках. Наприклад, зірка Бетельгейзе в сузір'ї Оріона може спалахнути протягом декількох тисяч років. На щастя, відстань до неї достатньо велика - 650 світлових років.

Зіткнення галактик. І взагалі не тільки Землю, але всю нашу Галактику чекає незавидне майбутнє. На жаль, ми рухаємося назустріч найкрупнішій галактиці нашої місцевої групи, Туманності Андромеди, і, приблизно через три мільярди років відбудеться неминуче зіткнення. Галактики перестануть існувати. І якщо через 10 мільярдів років в цій частині Всесвіту існуватиме цивілізація, то її розумні істоти вже ніколи не дізнаються, що була така галактика Чумацький шлях, не кажучи вже про те, що навколо однієї звичайної зірки цієї Галактики оберталася маленька блакитна планета, і на ній ми з вами вивчали астрономію в 2009 році від Різдва Христового.