Расширяя границы Вселенной: история астрономии в задачах

Звёздная астрономия и астрофизика

Задачей звёздной астрономии является изучение пространственного расположения и движения отдельных звёзд и звёздных ансамблей — скоплений, галактик и т. п. Первый шаг в этом направлении сделал Галилей, открыв с помощью телескопа звёздную структуру Млечного Пути.

В конце XVIII века существенный вклад в изучение звёздных систем внёс Вильям Гершель (1738– 1822), впервые применив статистический метод к изучению Галактики. Он установил, что наша Галактика имеет конечные размеры, и даже довольно точно определил степень сплюснутости её формы (1:5). Он также первым выдвинул предположение о существовании крупномасштабной структуры мира галактик, заметив неоднородность их распределения на небе.

Важным событием в звёздной астрономии стали первые измерения звёздных параллаксов (В. Струве — ? Лиры, Т. Гендерсон — ? Кентавра, Ф. В. Бессель — 61 Лебедя). В середине XIX века ирландский астроном У. Парсонс при помощи сконструированного им рефлектора открыл спиральную структуру некоторых внегалактических туманностей.

Астрофизика изучает физические свойства космических тел. Методы астрофизики основаны на достижениях экспериментальной и теоретической физики. Появление этой новой астрономической науки

Гигантский телескоп рефлектор Уильяма Парсонса, сооруженный в 1845 г. Металлическое главное зеркало диаметром 182 см имело фокусное расстояние 17 м.

относят к середине XIX века, когда при исследовании космических тел стали использовать фотографию и спектроскопию. Следует отметить, однако, что физический подход для изучения природы космических тел стал применяться гораздо раньше. Так, ещё в 1761 г. русский учёный — энциклопедист М. В. Ломоносов первым обнаружил преломление солнечного света у поверхности Венеры и дал правильное качественное толкование наблюдаемому явлению, предположив наличие у планеты плотной атмосферы. Он же в образной форме дал близкое к действительности описание физических процессов, происходящих в атмосфере Солнца.

Естественно, что первым объектом исследования для астрофизиков стало наше светило, дающее мощный поток излучения. Немецкий физик Г. Р. Кирхгоф (1824–1887), применив изобретённый им и Р. Бунзеном метод спектрального анализа, доказал, что у Солнца есть атмосфера, более холодная, чем видимая поверхность светила — фотосфера. По линиям поглощения в спектре Солнца оказалось возможным определить химический состав его атмосферы. Один из основоположников астроспектроскопии У. Хёггинс (1824–1910) доказал единую природу Солнца и звёзд. Французский астроном П. Жансен (1824– 1907) начал изучать методом спектрального анализа химический состав атмосфер планет. П. Жансен и английский астроном Дж. Н. Локьер (1836–1920) независимо друг от друга открыли спектроскопический способ наблюдения хромосферы и протуберанцев на Солнце вне солнечного затмения.

Астрономия XX века

Бурное развитие астрономии в XX столетии основывалось на двух «китах» — новых крупных телескопах и чувствительных приёмниках излучения во всех диапазонах волн, а также на достижениях теоретической физики. В начале столетия датский астроном Эйнар Герц- шпрунг (1873–1967) и американский астроном Г. Н. Рассел (в некоторых книгах — Рессел; 1877–1957) установили важную закономерность: светимость большинства звёзд определяется их спектральным типом, отражающим температуру поверхности. Построенная ими диаграмма «спектр — светимость» позволила установить существование звёзд — гигантов и звёзд — карликов. Диаграмма Герцшпрунга — Рассела имеет большое космогоническое значение: положение на ней звезды в первую очередь определяется её массой и возрастом.

Теоретический подход в астрофизике позволил по данным наблюдений изучать физические условия в звёздных атмосферах и строить модели внутреннего строения звёзд (К. Шварцшильд, А. С. Эддингтон, Дж. Джинс). Вторая четверть XX столетия была отмечена решением проблемы источника энергии звёзд. Обсуждавшиеся ранее метеоритная, контракционная и аннигиляционная гипотезы, а также гипотеза радиоактивного распада были отвергнуты. Успехи ядерной физики и накопленные астрономами данные о звёздах позволили убедительно показать, что источником энергии звёзд в течение большей части их жизни служит термоядерный синтез гелия из водорода (подробнее см.: Сурдин, 1999).

XX век характеризуется рождением новой симбиотической науки — космонавтики, открывшей небывалые возможности для исследования Вселенной космическими аппаратами. Общепризнанным основателем этого направления человеческой деятельности, много сделавшим для его развития, был гениальный русский учёный К. Э. Циолковский; его научное наследие насчитывает около 600 работ. Вся вторая половина столетия прошла под знаком интенсивного развития практической космонавтики. 4 октября 1957 г. в нашей стране был запущен первый в мире искусственный спутник Земли. 12 апреля 1961 г. состоялся первый пилотируемый космический полёт Ю. А. Гагарина.

Методы космонавтики оказались чрезвычайно плодотворными для астрономических исследований. Вне земной атмосферы возможно изучение небесных тел во всех диапазонах электромагнитного излучения. Искусственные спутники и межпланетные станции подробно исследовали атмосферу и поверхность планет, что было невозможно осуществить столь детально с Земли. На Луну, Венеру и Марс опускались исследовательские лаборатории, передавшие на Землю уникальные данные. Планеты — гиганты, Меркурий, спутники планет, астероиды исследовались с пролётных траекторий автоматическими межпланетными станциями. Выдающуюся роль в этих работах сыграли отечественные учёные и инженеры. Благодаря наблюдениям с Земли и из космоса были открыты удивительные по своим физическим свойствам космические объекты: квазары, нейтронные звёзды (в том числе и особые — пульсары и магнетары), космические мазеры, реликтовое излучение, чёрные дыры, рентгеновские источники, гравитационные линзы.

XX век характеризуется появлением ещё одной новой, очень важной астрономической науки — релятивистской космологии, которая изучает нестационарную Вселенную как единое целое. Большой вклад в становление космологии внесли А. Эйнштейн (1916 г.), А. А. Фридман (работы 1922–1924 гг.), Ж. Леметр (1927 г.), Г. А. Гамов (1946 г.). Современная космология базируется на двух фундаментальных наблюдательных фактах: красном смещении линий в спектрах галактик, которое, согласно принципу Доплера — Физо, интерпретируется как всеобщее взаимное удаление галактик (Э. П. Хаббл, 1929 г.); а также на существовании фонового микроволнового излучения с Т =2,7 К, свидетельствующего о сверхплотном и горячем состоянии Вселенной в момент Большого взрыва. В начале 1980–х годов была создана инфляционная модель эволюции Вселенной (А. Гус и А. Д. Линде), согласно которой её расширение в первые 10^–35 секунды шло несравненно быстрее, чем в соответствии с фридмановской моделью.

А что дальше?

Дальнейшее развитие астрономии требует немалых материальных затрат, а потому будет в