Знакомиться со звездным небом надо в безоблачную ночь, когда свет Луны не мешает наблюдать слабые звезды. Число их кажется бесконечным. Но так только кажется, пока вы не приглядитесь и не научитесь находить на небе знакомые группы звезд, неизменных по своему взаимному расположению. Эти группы, названные созвездиями, люди выделили тысячи лет назад.
Под созвездием понимают область неба в пределах некоторых установленных границ. Все небо разделено на 88 созвездий, которые можно находить по характерному для них расположению звезд.
Многие созвездия сохраняют свое название с глубокой древности. Некоторые названия связаны с греческой мифологией, например Андромеда, Персей, Пегас, некоторые - с предметами, которые напоминают фигуры, образуемые яркими звездами созвездий: Стрела, Треугольник, Весы и др. Есть созвездия, названные именами животных, например Лев, Рак, Скорпион.
Созвездия на небосводе находят, мысленно соединяя их ярчайшие звезды прямыми линиями в некоторую фигуру. В каждом созвездии яркие звезды издавна обозначали греческими буквами, чаще всего самую яркую звезду созвездия - буквой α, затем буквами β, γ и т. д. в порядке алфавита по мере убывания яркости; например, Полярная звезда есть α созвездия Малой Медведицы.
На рисунках показаны расположение главных звезд Большой Медведицы и фигура этого созвездия, как его изображали на старинных звездных картах.
Фигура созвездия Большой Медведицы (со старинной звездной карты), его современные границы указаны пунктиром
Созвездия Большой и Малой Медведицы и изменение их положения относительно горизонта при суточном вращении неба
Невооруженным глазом в безлунную ночь можно видеть над горизонтом около 3000 звезд. В настоящее время астрономы определили точное местоположение нескольких миллионов звезд, измерили приходящие от них потоки энергии и составили списки-каталоги этих звезд.
Днем небо кажется голубым оттого, что неоднородности воздушной среды сильнее всего рассеивают голубые лучи солнечного света.
Вне пределов земной атмосферы небо всегда черное, и на нем можно наблюдать звезды и Солнце одновременно.
Звезды имеют разную яркость и цвет: белый, желтый, красноватый. Чем краснее звезда, тем она холоднее. Наше Солнце относится к желтым звездам.
Ярким звездам древние арабы дали собственные имена.
Белые звезды: Вега в созвездии Лиры, Альтаир в созвездии Орла (видны летом и осенью), Сириус - ярчайшая звезда неба (видна зимой);
Красные звезды: Бетельгейзе в созвездии Ориона и Альдебаран в созвездии Тельца (видны зимой), Антарес в созвездии Скорпиона (виден летом);
Желтая Капелла в созвездии Возничего (видна зимой)*.
Названия ярких звезд даны в приложении.
О, В - голубые звезды, А - белые, F - желтоватые, G - желтые, К - оранжевые, М - красные,
* (Слегка меняют свою яркость.) ** (Грубая классификация. )
Самые яркие звезды еще в древности назвали звездами 1-й величины, а самые слабые, видимые на пределе зрения,- звездами 6-й величины. Эта старинная терминология сохранилась и в настоящее время.
К истинным размерам звезд термин "звездная величина" (обозначается буквой m) отношения не имеет, она характеризует световой поток, приходящий на Землю от звезды.
Принято, что при разности в одну звездную величину видимая яркость звезд отличается примерно в 2,5 раза. Тогда разность в 5 звездных величин соответствует различию в яркости ровно в 100 раз. Так, звезды 1-й величины в 100 раз ярче звезд б-й величины. Современные методы наблюдений дают возможность обнаружить звезды примерно до 25-й звездной величины.
Точные измерения показывают, что звезды имеют как дробные, так и отрицательные звездные величины, например: для Альдебарана звездная величина m=1,06, для Беги m=0,14, для Сириуса m= - 1,58, для Солнца m= -26,80.
Из-за осевого вращения Земли звезды нам кажутся перемещающимися по небу. Если стать лицом к южной стороне горизонта и наблюдать суточное движение звезд в средних широтах северного полушария Земли, то можно заметить, что звезды восходят на восточной стороне горизонта, поднимаются выше всего над южной стороной горизонта и заходят на западной стороне, т. е. они движутся слева направо, по ходу часовой стрелки.
При суточном вращении неба звезды в восточной стороне неба перемещаются вправо и вверх
При внимательном наблюдении можно заметить, что Полярная звезда почти не меняет положения относительно горизонта. Все же другие звезды описывают в течение суток полные круги с центром вблизи Полярной.
В этом можно легко убедиться, проделав в безлунную ночь следующий опыт. Фотоаппарат, установленный на "бесконечность", направим на Полярную звезду и надежно укрепим в этом положении. Откроем затвор при полностью открытом объективе на полчаса или час. Изучим снимок и увидим на нем концентрические дуги - следы путей звезд. Общий центр этих дуг - точка, которая остается неподвижной при суточном движении звезд, условно называется северным полюсом мира. Полярная звезда к нему очень близка (рис. 10). Диаметрально противоположная ему точка называется южным полюсом мира. Для наблюдателя северного полушария Земли он находится под горизонтом.
Фотография околополярной области неба, Созвездия в окрестности Полярной звезды
снятая неподвижной камерой с экспозицией около часа
Чтобы сделать звездную карту, изображающую созвездия на плоскости, надо знать координаты звезд. Координаты звезд относительно горизонта, например высота, хотя и наглядны, но непригодны для составления карт, так как все время меняются. Надо использовать такую систему координат, которая вращалась бы вместе со звездным небом. Такой системой координат является экваториальная система.
Звездная карта
Обратимся к рисунку
Мы видим, что высота полюса мира над горизонтом hp=∠PCN, а географическая широта места φ=∠COR. Эти два угла (∠PCN и ∠COR) равны как углы со взаимно перпендикулярными сторонами. Равенство этих углов дает простейший способ определения географической широты местности φ: угловое расстояние полюса мира от горизонта равно географической широте местности. Чтобы определить географическую широту местности, достаточно измерить высоту полюса мира над горизонтом, так как: hp=φ
С изменением географической широты места наблюдения меняется ориентация оси вращения небесной сферы относительно горизонта. Рассмотрим, какими будут видимые движения - небесных светил в районе Северного полюса, на экваторе и на средних широтах Земли.
На полюсе Земли полюс мира находится в зените, и звезды движутся по кругам, параллельным горизонту. Здесь звезды не заходят и не восходят, их высота над горизонтом неизменная.
На средних географических широтах существуют как восходящие и заходящие звезды, так и те, которые никогда не опускаются под горизонт. Например, околополярные созвездия на географических широтах России никогда не заходят. Созвездия, расположенные дальше от северного полюса мира, показываются ненадолго над горизонтом. А созвездия, лежащие около южного полюса мира, являются невосходящими
Но чем дальше продвигается наблюдатель к югу, тем больше южных созвездий он может видеть.
На земном экваторе, если бы днем не мешало Солнце, за сутки можно было бы увидеть созвездия всего звездного неба.
Для наблюдателя на экваторе все звезды восходят и заходят перпендикулярно плоскости горизонта. Каждая звезда здесь проходит над горизонтом ровно половину своего пути. Северный полюс мира для него совпадает с точкой севера, а южный полюс мира - с точкой юта. Ось мира расположена в плоскости горизонта.
3) Высота светил в кульминации
Полюс мира при кажущемся вращении неба, отражающем вращение Земли вокруг оси, занимает неизменное положение над горизонтом на данной широте.
Звезды за сутки описывают над горизонтом вокруг оси мира круги, параллельные небесному экватору. При этом каждое светило за сутки дважды пересекает небесный меридиан.
Явления прохождения светил через небесный меридиан относительно горизонта называются кульминациями. В верхней кульминации высота светила максимальна, а в нижней кульминации - минимальна. Промежуток времени между кульминациями равен половине суток.
У не заходящего на данной широте φ светила М видны (над горизонтом) обе кульминации, у звезд, которые восходят и заходят (M1, М2, М3), нижняя кульминация происходит под горизонтом, ниже точки севера. У светила М4, находящегося далеко к югу от небесного экватора, обе кульминации могут быть невидимы (светило невосходящее).
Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полднем, а момент нижней кульминации - истинной полночью.
Найдем зависимость между высотой h светила М в верхней кульминации, его склонением δ и широтой местности φ. Для этого воспользуемся рисунком, на котором изображены отвесная линия ZZ', ось мира РР' и проекции небесного экватора QQ' и линии горизонта NS на плоскость небесного меридиана (PZSP'N).
Мы знаем, что высота полюса мира над горизонтом равна географической широте места, т. е. hp=φ.
Следовательно, угол между полуденной линией NS и осью мира РР' равен широте местности φ, т.е. ∠PON=hр=φ.
Очевидно, что наклон плоскости небесного экватора к горизонту, измеряемый ∠QOS, будет равен 90°- φ, так как
∠QOZ= ∠PON как углы с взаимно перпендикулярными сторонами.
Тогда звезда М со склонением δ, кульминирующая к югу от зенита, имеет в верхней кульминации высоту
h = 900 – φ + δ
Из этой формулы видно, что географическую широту можно определить, измеряя высоту любого светила с известным склонением δ в верхней кульминации. При этом следует учитывать, что если светило в момент кульминации находится к югу от экватора, то его склонение отрицательно.
Для измерения коротких промежутков времени в астрономии основной единицей является средняя длительность солнечных суток, т. е. средний промежуток времени между двумя верхними (или нижними) кульминациями центра Солнца.
Для определения точного времени с помощью специальных оптических приборов отмечают моменты кульминаций звезд и проверяют по ним правильность хода часов, "хранящих" время. Определяемое таким образом время было бы абсолютно точным, если бы наблюдаемое вращение небосвода происходило со строго постоянной угловой скоростью. Однако оказалось, что скорость вращения Земли вокруг оси, а следовательно и видимое вращение небесной сферы, испытывает со временем очень небольшие изменения. Поэтому для "хранения" точного времени сейчас используются специальные атомные часы, ход которых контролируется колебательными процессами в атомах, происходящими с неизменной частотой. Сравнение времени, определяемого по атомным часам и по видимому движению звезд, позволяет исследовать неравномерности вращения Земли.
Определение точного времени, его хранение и передача по радио всему населению составляет задачу службы точного времени, которая существует во многих странах.
Для счета больших промежутков времени люди с древних пор использовали продолжительность либо лунного месяца, либо солнечного года, т. е. продолжительность оборота Солнца по эклиптике. Год определяет периодичность сезонных изменений. Солнечный год длится 365 солнечных суток 5 часов 48 минут 46 секунд.
За многовековую историю человечества создавалось и использовалось много различных систем календарей. Но все их можно разделить на три типа: солнечные, лунные и лунно-солнечные
При составлении календаря необходимо учитывать, что продолжительность календарного года должна быть как можно ближе к продолжительности оборота Солнца по эклиптике и что календарный год должен содержать целое число солнечных суток, так как неудобно начинать год в разное время суток.
Этим условиям удовлетворял календарь, разработанный александрийским астрономом Созигеном и введенный в 46 г. до н. э. в Риме Юлием Цезарем. Впоследствии, он получил название юлианского или старого стиля. В этом календаре годы считаются трижды подряд по 365 сут и называются простыми, следующий за ними год - в 366 сут. Он называется високосным. Високосными годами в юлианском календаре являются те годы, номера которых без остатка делятся на 4.
Средняя продолжительность года по этому календарю составляет 365 сут 6 ч, т. е. она примерно на 11 мин длиннее истинной. В силу этого старый стиль отставал от действительного течения времени примерно на 3 сут за каждые 400 лет.
В настоящее время в большинстве стран мира принят солнечный календарь, называемый григорианским.
В григорианском календаре (новом стиле), введенном в России в 1918 г., оканчивающиеся на два нуля, за исключением 1600, 2000, 2400 и т. п. (т. е. тех, у которых число сотен делится на 4 без остатка), не считаются високосными. Этим и исправляют ошибку в 3 сут, накапливающуюся за 400 лет. Таким образом, средняя продолжительность года в новом стиле оказывается очень близкой к периоду обращения Земли вокруг Солнца.
К XX в. разница между новым стилем и старым (юлианским) достигла 13 сут. Разница между старым и новым стилями в 13 сут сохранится и в XXI в., а в XXII в. возрастет до 14 сут. Новый стиль, конечно, не является совершенно точным, но ошибка в 1 сут накопится по нему только за 3300 лет.
Контрольные вопросы:
1. Как по виду звездного неба и его вращению установить, что вы прибыли на Северный полюс Земли?
2. Как суточные пути звезд расположены относительно горизонта для наблюдателя, находящегося на экваторе Земли? Чем они отличаются от суточных путей звезд, видимых в России, т. е. в средних географических широтах?
3. Что называется кульминацией?
4. Какой буквой греческого алфавита обозначается самая яркая звезда в созвездии?
5. Чему равен промежуток времени между кульминациями? (половине суток)
6. Что называют истинным полднем?
7. Как определить высоту светила зная его географическую широту?
Задание:
1. Назовите созвездия, расположенные в южной части неба от горизонта до полюса мира, на востоке 11 октября в 13 часов (В южной части звездного неба 11 октября в 13 часов можно наблюдать созвездия: Гидра, Дева, Волопас, Гончие псы. Границы созвездий: Большая Медведица и Дракон, Малая Медведица. На востоке: Дельфин, Лисичка, Лебедь, Дракон (граница) и Цефей (граница).
2. В каких созвездиях находятся звезды, экваториальные координаты которых равны:
а)
α = 4ч 33мин, δ = 16˚25;
б) α = 16ч 26мин, δ = -26˚19;
в) α = 20ч 40мин, δ = 45˚06?
Каковы названия этих звезд?
3.
По карте звездного неба определите экваториальные координаты звезд: Арктура,
Бетельгейзе, Альтаира, Капеллы, Кастора и Спики.
Задачи:
1. Сириус α Б. Пса, был в верхней кульминации на высоте 10°. Чему равна широта места наблюдения?
Дано: Решение:
Δ = -170 Склонение Сириуса находим по таблице и округляем. Из формулы
h = 100 h = 900 – φ + δ находим, что φ = 900 - h + δ = 630
φ-? Ответ: 630
При, решении задач географические координаты городов можно отсчитать по географической карте.
2. На какой высоте в Санкт-Петербурге (φ=600) бывает верхняя кульминация Антареса (α Скорпиона)?
3. Каково склонение звезд, которые в вашем городе (φ=510) кульминируют в зените? в точке юга?
Домашнее задание:
Задача:
При, решении задач географические координаты городов можно отсчитать по географической карте.
1. На какой высоте в Москке (φ=550) бывает верхняя кульминация Антареса (α Скорпиона)?
2. Сириус α Б. Пса, был в верхней кульминации на высоте 15°. Чему равна широта места наблюдения?
3. Найти экваториальные координаты (прямое восхождение α, склонение δ) звезды Веги (α Лиры).
4.Указать созвездие, в котором находится объект с координатами: α =0 часов 41 минута, δ = +410
Подготовить доклад по теме:
Созвездие (незаходящее, восходящее и заходящее, невосходящее, зодиакальное)