Астрономия

Астроно́мия (от др.-греч. ἄστρον — «звезда» и νόμος — «закон») — наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, структуру, происхождение и развитие небесных тел и систем[1].

В частности, астрономия изучает Солнце и другие звёзды, планеты Солнечной системы и их спутники, экзопланеты, астероиды, кометы, метеороиды, межпланетное вещество, межзвёздное вещество, пульсары, чёрные дыры, туманности, галактики и их скопления, квазары и многое другое[1].

Термин «астроно́мия» (др.-греч. ἀστρονομία) образован от древнегреческих слов ἀστήρ, ἄστρον (астер, астрон) — «звезда» и νόμος (номос) — «обычай, установление, закон»[1].

Астрономия — одна из древнейших и старейших наук. Она возникла из практических потребностей человечества.

С тех пор как на Земле существуют люди, их всегда интересовало то, что они видели на небе. Ещё в глубокой древности они заметили взаимосвязь движения небесных светил по небосводу и периодических изменений погоды. Астрономия тогда была основательно перемешана с астрологией.

По расположению звёзд и созвездий первобытные земледельцы определяли наступления времён года. Кочевые племена ориентировались по Солнцу и звёздам. Необходимость в летоисчислении привела к созданию календаря. Ещё доисторические люди знали об основных явлениях, связанных с восходом и заходом Солнца, Луны и некоторых звёзд. Периодическая повторяемость затмений Солнца и Луны была известна очень давно. Среди древнейших письменных источников встречаются описания астрономических явлений, а также примитивные расчётные схемы для предсказания времени восхода и захода ярких небесных тел, методы отсчёта времени и ведения календаря.

Доисторические культуры и древнейшие цивилизации оставили после себя многочисленные астрономические артефакты, свидетельствующие о знании ими закономерностей движения небесных тел. В качестве примеров можно привести додинастические древнеегипетские монументы и Стоунхендж. Первые цивилизации вавилонян, греков, китайцев[en], индийцев, майя и инков уже проводили методические наблюдения ночного небосвода.

Астрономия успешно развивалась в Древнем Вавилоне, Египте, Китае и Индии. В китайской летописи описывается затмение Солнца, которое состоялось в 3-м тысячелетии до н. э. Теории, которые на основе развитых арифметики и геометрии объясняли и предсказывали движение Солнца, Луны и ярких планет, были созданы в странах Средиземноморья в последние века дохристианской эры. Вместе с простыми, но эффективными приборами, они служили практическим целям вплоть до эпохи Возрождения.

Особенно большого развития достигла астрономия в Древней Греции. Пифагор впервые пришёл к выводу, что Земля имеет шарообразную форму, а Аристарх Самосский высказал предположение, что Земля вращается вокруг Солнца. Гиппарх во II в. до н. э. составил один из первых звёздных каталогов. В произведении Птолемея «Альмагест», написанном во II в. н. э., изложена геоцентрическая система мира, которая была общепринятой на протяжении почти полутора тысяч лет. В средневековье астрономия достигла значительного развития в странах Востока. В XV в. Улугбек построил вблизи Самарканда обсерваторию с точными в то время инструментами. Здесь был составлен первый после Гиппарха каталог звёзд.

С XVI в. начинается развитие астрономии в Европе. Новые требования выдвигались в связи с развитием торговли и мореплавания и зарождением промышленности, способствовали освобождению науки от влияния религии и привели к ряду крупных открытий.

Из всех естественных наук астрономия более других подвергалась нападкам папской курии. Лишь в 1822 году инквизиция формально объявила — в противоречии с прежними воззрениями католической церкви — что в Риме дозволено печатание книг, в которых изложены суждения о движении Земли и неподвижности Солнца. После этого при издании Индекса запрещённых книг 1835 года, из него были исключены имена Коперника, Кеплера и Галилея[2].

Окончательное выделение научной астрономии произошло в эпоху Возрождения и заняло долгое время. Но только изобретение телескопа позволило астрономии развиться в современную самостоятельную науку.

Исторически астрономия включала в себя астрометрию, навигацию по звёздам, наблюдательную астрономию, создание календарей и даже астрологию. В наши дни профессиональная астрономия часто рассматривается как синоним астрофизики.

Рождение современной астрономии связывают с отказом от геоцентрической системы мира Птолемея (II век) и заменой её гелиоцентрической системой Николая Коперника (середина XVI века), с началом исследований небесных тел с помощью телескопа (Галилей, начало XVII века) и открытием закона всемирного притяжения (Исаак Ньютон, конец XVII века). XVIII—XIX века были для астрономии периодом накопления сведений и знаний о Солнечной системе, нашей Галактике и физической природе звёзд, Солнца, планет и других космических тел.

Научно-техническая революция XX века имела чрезвычайно большое влияние на развитие астрономии и особенно астрофизики.

Появление крупных оптических телескопов, создание радиотелескопов с высоким разрешением и осуществление систематических наблюдений привели к открытию, что Солнце входит в состав огромной дискообразной системы, состоящей из многих миллиардов звёзд — галактики. В начале XX века астрономы обнаружили, что эта система является одной из миллионов подобных ей галактик.

Открытие других галактик стало толчком для развития внегалактической астрономии. Исследование спектров галактик позволило Эдвину Хабблу в 1929 году выявить явление «разбегания галактик», которое впоследствии получило объяснения на основе общего расширения Вселенной.

Применение ракет и искусственных спутников Земли для внеатмосферных астрономических наблюдений привели к открытию новых видов космических тел: радиогалактик, квазаров, пульсаров, источников рентгеновского излучения и т. д. Были разработаны основы теории эволюции звёзд и космогонии Солнечной системы. Достижением астрофизики XX века стала релятивистская космология — теория эволюции Вселенной.

Астрономия — одна из немногих наук, где непрофессионалы всё ещё могут играть активную роль: любительская астрономия привнесла свой вклад в ряд важных астрономических открытий.

Современная астрономия делится на ряд разделов, которые тесно связаны между собой, поэтому разделение астрономии в некоторой мере условно. Главнейшими разделами астрономии являются:

Эти три раздела в основном решают первую задачу астрономии (исследование движения небесных тел), и их часто называют классической астрономией.

Ряд разделов астрофизики выделяется по специфическим методам исследования.

В этих двух разделах в основном решаются вопросы второй задачи астрономии (строение небесных тел).

На основании всех полученных знаний о небесных телах последние два раздела астрономии решают её третью задачу (происхождение и эволюция небесных тел).

Курс общей астрономии содержит систематическое изложение сведений об основных методах и главнейших результатах, полученных различными разделами астрономии.

Одним из новых, сформировавшихся только во второй половине XX века, направлений является археоастрономия, которая изучает астрономические познания древних людей и помогает датировать древние сооружения, исходя из явления прецессии Земли.

Планетарная туманность Муравей — Mz3. Выброс газа из умирающей центральной звезды симметричен, в отличие от хаотических выбросов обычных взрывов

Изучение звёзд и звёздной эволюции имеет фундаментальное значение для нашего понимания Вселенной. Астрономы изучают звёзды с помощью и наблюдений, и теоретических моделей, а сейчас и с помощью компьютерного численного моделирования.

Формирование звёзд происходит в газопылевых туманностях. Достаточно плотные участки туманностей могут сжиматься силой гравитации, разогреваясь за счёт высвобождаемой при этом потенциальной энергии. Когда температура становится достаточно большой, в ядре протозвезды начинаются термоядерные реакции и она становится звездой[3].

Почти все элементы, более тяжёлые чем водород и гелий, образуются в звёздах.

Решение этих задач требует создания эффективных методов исследования — как теоретических, так и практических. Первая задача решается путём длительных наблюдений, начатых ещё в глубокой древности, а также на основе законов механики, известных уже около 300 лет. Поэтому в этой области астрономии мы располагаем наиболее богатой информацией, особенно для сравнительно близких к Земле небесных тел: Луны, Солнца, планет, астероидов и т. д.

Решение второй задачи стало возможным в связи с появлением спектрального анализа и фотографии. Изучение физических свойств небесных тел началось во второй половине XIX века, а основных проблем — лишь в последние годы.

Третья задача требует накопления наблюдаемого материала. В настоящее время таких данных ещё недостаточно для точного описания процесса происхождения и развития небесных тел и их систем. Поэтому знания в этой области ограничиваются только общими соображениями и рядом более или менее правдоподобных гипотез.

Четвёртая задача является самой масштабной и самой сложной. Практика показывает, что для её решения уже недостаточно существующих физических теорий. Необходимо создание более общей физической теории, способной описывать состояние вещества и физические процессы при предельных значениях плотности, температуры, давления. Для решения этой задачи требуются наблюдательные данные в областях Вселенной, находящихся на расстояниях в несколько миллиардов световых лет. Современные технические возможности не позволяют детально исследовать эти области. Тем не менее, эта задача сейчас является наиболее актуальной и успешно решается астрономами ряда стран, в том числе и России.

Представление о наблюдаемой Вселенной, которое включает в себя изображения с различных телескопов.

Эти две ветви дополняют друг друга: теоретическая астрономия ищет объяснения результатам наблюдений, а наблюдательная астрономия даёт материал для теоретических выводов и гипотез и возможность их проверки.

Бо́льшая часть астрономических наблюдений — это регистрация и анализ видимого света и другого электромагнитного излучения[4]. Астрономические наблюдения могут быть разделены в соответствии с областью электромагнитного спектра, в которой проводятся измерения. Некоторые части спектра можно наблюдать с Земли (то есть её поверхности), а другие наблюдения ведутся только на больших высотах или в космосе (в космических аппаратах на орбите Земли). Подробные сведения об этих группах исследований приведены ниже.

Оптическая астрономия (которую ещё называют астрономией видимого света) — древнейшая форма исследования космоса[5]. Сначала наблюдения зарисовывали от руки. В конце XIX века и большей части XX века исследования осуществлялись по фотографиям. Сейчас изображения получают цифровыми детекторами, в частности детекторами на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Хотя видимый свет охватывает диапазон примерно от 4000 Ǻ до 7000 Ǻ (400—700 нанометров)[5], оборудование, применяемое в этом диапазоне, позволяет исследовать ближний ультрафиолетовый и инфракрасный диапазон.

Инфракрасная астрономия касается регистрации и анализа инфракрасного излучения небесных тел. Хотя длина его волны близка к длине волны видимого света, инфракрасное излучение сильно поглощается атмосферой, кроме того, в этом диапазоне сильно излучает атмосфера Земли. Поэтому обсерватории для изучения инфракрасного излучения должны быть расположены на высоких и сухих местах или в космосе. Инфракрасный спектр полезен для изучения объектов, которые слишком холодны, чтобы излучать видимый свет (например, планеты и газопылевые диски вокруг звёзд). Инфракрасные лучи могут проходить через облака пыли, поглощающие видимый свет, что позволяет наблюдать молодые звезды в молекулярных облаках и ядрах галактик[6]. Некоторые молекулы мощно излучают в инфракрасном диапазоне, и это даёт возможность изучать химический состав астрономических объектов (например, находить воду в кометах)[7].

Ультрафиолетовая астрономия имеет дело с длинами волн примерно от 100 до 3200 Å (10—320 нанометров)[8]. Свет на этих длинах волн поглощается атмосферой Земли, поэтому исследование этого диапазона выполняют из верхних слоёв атмосферы или из космоса. Ультрафиолетовая астрономия лучше подходит для изучения горячих звёзд (классов O и B), поскольку основная часть излучения приходится именно на этот диапазон. Сюда относятся исследования голубых звёзд в других галактиках и планетарных туманностей, остатков сверхновых, активных галактических ядер. Однако ультрафиолетовое излучение легко поглощается межзвёздной пылью, поэтому в результаты измерений следует вносить поправку на неё.

Сверхбольшой массив радиотелескопов (Very Large Array) в Сирокко, Нью-Мексико, США

Радиоастрономия — это исследование излучения с длиной волны, большей чем один миллиметр (примерно)[8]. Радиоастрономия отличается от большинства других видов астрономических наблюдений тем, что исследуемые радиоволны можно рассматривать именно как волны, а не как отдельные фотоны. Итак, можно измерить как амплитуду, так и фазу радиоволны, а для коротких волн это не так легко сделать[8].

Хотя некоторые радиоволны излучаются астрономическими объектами в виде теплового излучения, большинство радиоизлучения, наблюдаемого с Земли, является по происхождению синхротронным излучением, которое возникает, когда электроны движутся в магнитном поле[8]. Кроме того, некоторые спектральные линии образуются межзвёздным газом, в частности спектральная линия нейтрального водорода длиной 21 см[8].

В радиодиапазоне наблюдается широкое разнообразие космических объектов, в частности сверхновые звезды, межзвёздный газ, пульсары и активные ядра галактик[8].

Рентгеновская астрономия изучает астрономические объекты в рентгеновском диапазоне. Обычно объекты излучают рентгеновское излучение благодаря:

Поскольку рентгеновское излучение поглощается атмосферой Земли, рентгеновские наблюдения в основном выполняют из орбитальных станций, ракет или космических кораблей. К известным рентгеновским источникам в космосе относятся: рентгеновские двойные звезды, пульсары, остатки сверхновых, эллиптические галактики, скопления галактик, а также активные ядра галактик[8].

Гамма-астрономия — это исследование самого коротковолнового излучения астрономических объектов. Гамма-лучи могут наблюдаться непосредственно (такими спутниками, как Телескоп Комптон) или опосредованно (специализированными телескопами, которые называются атмосферные телескопы Черенкова). Эти телескопы фиксируют вспышки видимого света, образующиеся при поглощении гамма-лучей атмосферой Земли вследствие различных физических процессов вроде эффекта Комптона, а также черенковское излучение[9].

Большинство источников гамма-излучения — это гамма-всплески, которые излучают гамма-лучи всего от нескольких миллисекунд до тысячи секунд. Только 10 % источников гамма-излучения активны долгое время. Это, в частности, пульсары, нейтронные звезды и кандидаты в чёрные дыры в активных галактических ядрах[8].

С Земли наблюдается не только электромагнитное излучение, но и другие типы излучения.

В нейтринной астрономии для выявления нейтрино используют специальные подземные объекты, такие как SAGE, GALLEX и Камиока II / III[8]. Эти нейтрино приходят главным образом от Солнца, но также от сверхновых звёзд. Кроме того, современные обсерватории могут регистрировать космические лучи, поскольку это частицы очень высокой энергии, дающие при входе в атмосферу Земли каскады вторичных частиц[10]. Кроме того, некоторые будущие детекторы нейтрино будут также непосредственно чувствительны к частицам, рождённым, когда космические лучи попадают в атмосферу Земли[8].

Новым направлением в разновидности методов астрономии может стать гравитационно-волновая астрономия, которая стремится использовать детекторы гравитационных волн для наблюдения компактных объектов. Несколько обсерваторий уже построено, например, лазерный интерферометр гравитационной обсерватории LIGO[11]. Впервые гравитационные волны были обнаружены в 2015 году.

Планетарная астрономия занимается не только наземными наблюдениями небесных тел, но и их непосредственным изучением с помощью космических аппаратов, в том числе доставивших на Землю образцы вещества. Кроме того, многие аппараты собирают различную информацию на орбите или на поверхности небесных тел, а некоторые и проводят там различные эксперименты.

Астрометрия — один из старейших подразделов астрономии. Она занимается измерениями положения небесных объектов. Точные данные о расположении Солнца, Луны, планет и звёзд когда-то играли чрезвычайно важную роль в навигации. Тщательные измерения положения планет привели к глубокому пониманию гравитационных возмущений, что позволило с высокой точностью рассчитывать их прошлое расположение и предсказывать будущее. Эта отрасль известна как небесная механика. Сейчас отслеживание околоземных объектов позволяет прогнозирования сближения с ними, а также возможные столкновения различных объектов с Землёй[12].

Измерения параллаксов ближайших звёзд — фундамент для определения расстояний в дальнем космосе и измерения масштабов Вселенной. Эти измерения обеспечили основу для определения свойств отдалённых звёзд; свойства могут быть сопоставлены с соседними звёздами. Измерения лучевых скоростей и собственных движений небесных тел позволяет исследовать кинематику этих систем в нашей галактике. Астрометрические результаты могут использоваться для измерения распределения тёмной материи в галактике[13].

В 1990-х годах астрометрические методы измерения звёздных колебаний были применены для обнаружения крупных внесолнечных планет (планет на орбитах соседних звёзд)[14].

Исследования с помощью космической техники занимают особое место среди методов изучения небесных тел и космической среды. Начало было положено запуском в СССР в 1957 году первого в мире искусственного спутника Земли. Космические аппараты позволили проводить исследования во всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения. Поэтому современную астрономию часто называют всеволновой. Внеатмосферные наблюдения позволяют принимать в космосе излучения, которые поглощает или очень меняет земная атмосфера: радиоизлучения некоторых длин волн, не доходят до Земли, а также корпускулярные излучения Солнца и других тел. Исследование этих, ранее недоступных видов излучения звёзд и туманностей, межпланетной и межзвёздной среды очень обогатило наши знания о физических процессах Вселенной. В частности, были открыты неизвестные ранее источники рентгеновского излучения — рентгеновские пульсары. Много информации о природе отдалённых от нас тел и их систем также получено благодаря исследованиям, выполненным с помощью спектрографов, установленных на различных космических аппаратах.

Многоканальная астрономия использует одновременный приём электромагнитного излучения, гравитационных волн и элементарных частиц, испускаемых одним и тем же космическим объектом или явлением, для его изучения.

Астрономы-теоретики используют широкий спектр инструментов, которые включают аналитические модели (например, политропы для приближённого поведения звёзд) и численное моделирование. Каждый из методов имеет свои преимущества. Аналитическая модель процесса, как правило, лучше даёт понять суть того, почему это (что-то) происходит. Численные модели могут свидетельствовать о наличии явлений и эффектов, которых, вероятно, иначе не было бы видно[15][16].

Теоретики в области астрономии стремятся создавать теоретические модели и выяснить в исследованиях последствия этих моделирований. Это позволяет наблюдателям искать данные, которые могут опровергнуть модель или помогает в выборе между несколькими альтернативными или противоречивыми моделями. Теоретики также экспериментируют в создании или видоизменении модели с учётом новых данных. В случае несоответствия общая тенденция состоит в попытке достигнуть коррекции результата минимальными изменениями модели. В некоторых случаях большое количество противоречивых данных со временем может привести к полному отказу от модели.

Темы, которые изучают теоретические астрономы: звёздная динамика и эволюция галактик, крупномасштабная структура Вселенной, происхождение космических лучей, общая теория относительности и физическая космология, в частности космология струн и астрофизика элементарных частиц. Теория относительности важна для изучения крупномасштабных структур, для которых гравитация играет значительную роль в физических явлениях. Это основа исследований чёрных дыр и гравитационных волн. Некоторые широко принятые и изучены теории и модели в астрономии, теперь включённые в модель Лямбда-CDM, — Большой Взрыв, расширение космоса, тёмная материя и фундаментальные физические теории.

Астрономия — одна из наук, где вклад любителей может быть значительным[17]. Общий объём любительских наблюдений больше, чем профессиональных, хотя технические возможности любителей намного меньше. Иногда они самостоятельно строят себе оборудование (как и 2 века назад). Наконец большинство учёных вышли именно из этой среды. Главные объекты наблюдений астрономов-любителей — Луна, планеты, звезды, кометы, метеорные потоки и различные объекты глубокого космоса, а именно: звёздные скопления, галактики и туманности. Одна из ветвей любительской астрономии, любительская астрофотография, представляет собой фотографирование участков ночного неба. Многие любители специализируются по отдельным объектам, типам объектов или типам событий[18][19].

Большинство любителей работает в видимом спектре, но небольшая часть экспериментирует с другими длинами волн. Это включает использование инфракрасных фильтров на обычных телескопах, а также использование радиотелескопов. Пионер любительской радиоастрономии — Карл Янский, который начал наблюдать небо в радиодиапазоне в 1930-х годах. Некоторые астрономы-любители используют как домашние телескопы, так и радиотелескопы, которые изначально были построены для астрономических учреждений, но теперь доступны для любителей (как для крупных исследовательских институтов)[20][21].

Астрономы-любители и сейчас продолжают вносить вклад в эту науку. Это одна из немногих дисциплин, где их вклад может быть значительным. Довольно часто они наблюдают покрытия астероидами звёзд, и эти данные используются для уточнения орбит астероидов. Иногда любители находят кометы, а многие из них регулярно наблюдают переменные звёзды. А достижения в области цифровых технологий позволили любителям добиться впечатляющего прогресса в области астрофотографии[22][23][24].

2009 год был объявлен ООН Международным годом астрономии. Основной упор делается на повышении общественной заинтересованности астрономией и её понимания. С этой же целью каждый год проводится день астрономии. 24 сентября 2020 года на 15-й встрече и 24–25 марта 2021 года на 16-й встрече (КГПКМ)[25][26], а также 30 апреля 2021 года на 7-й Конференции по планетарной защите[27] обсуждалось решение о подаче заявки в Секретариат ООН о провозглашении 2029 года Международным годом планетарной защиты.

Как отдельный предмет астрономию ввели в школах СССР в 1932 году (в седьмом и девятом классах), в 1935 году её перенесли в десятый класс. С 1993 году астрономию перевели в факультативы, и она фактически исчезла из учебных программ. Согласно опросам ВЦИОМ, в 2007 году 29 % россиян считали, что не Земля вращается вокруг Солнца, а наоборот — Солнце вращается вокруг Земли, а в 2011 году уже 33 % россиян придерживались этой точки зрения[28]. С 1 сентября 2017 года преподавание астрономии в школах России вновь стало обязательным (в десятом или одиннадцатом классе)[29][30].