Астрономия наука о небесных телах
Особое внимание Кеплера привлёк Марс, в движении которого он обнаружил значительные отступления от всех прежних теорий. Сферическая астрономия изучает положение, видимое и собственное движение космических тел и решает задачи, связанные с определением положений светил на небесной сфере, составлением звездных каталогов и карт, теоретическими основами счета времени. Гиппарх ввёл понятия эксцентриситета орбиты, апогея и перигея , уточнил длительность синодического и сидерического лунных месяцев с точностью до секунды , средние периоды обращения планет. Архивировано из оригинала 8 февраля года. Некоторые туманности круглой формы, иногда со звездой внутри, он назвал планетарными и считал скоплениями диффузной материи, в которых формируется звезда и планетная система.
Было создано несколько обсерваторий в попытках наблюдения гравитационных волн. Созданы нейтринные обсерватории, позволившие прямыми наблюдениями доказать наличие термоядерных реакций в центре Солнца. С помощью этих детекторов также изучались удаленные объекты, такие как сверхновая SNa. Наблюдения высокоэнергетических частиц производится по наблюдениям их столкновений с земной атмосферой, порождающих ливни элементарных частиц.
Наблюдения также могут различаться по продолжительности. Большинство оптических наблюдений производятся с выдержками порядка минут или часов. Однако в некоторых проектах, таких как Tortora, производится наблюдения с выдержкой менее секунды. Тогда как в других общее время экспозиции может составлять недели например, такая выдержка использовалась при наблюдении глубоких хаббловских полей.
Более того, наблюдения пульсаров могут производиться с временем экспозиции в миллисекунды, а наблюдения эволюции некоторых объектов могут занимать сотни лет, включая изучение исторических материалов. Изучению Солнца отводится отдельное место. Из-за огромных расстояний до других звезд, Солнце является единственной звездой, которая может быть изучена в мельчайших деталях.
Изучение Солнца дает основу для изучения других звезд. Теоретическая астрофизика использует как аналитические методы так и численное моделирование для изучения различных астрофизических явлений, построения их моделей и теорий.
Подобные модели, построенные на основании анализа наблюдательных данных, могут быть проверены с помощью сравнения теоретических предсказаний и вновь полученных данных. Также наблюдения могут помочь в выборе одной из нескольких альтернативных теорий. Объектом исследований теоретической астрофизики являются, например:.
Звездная астрономия изучает закономерности пространственного распределения и движения звезд, звездных систем и межзвездной материи с учетом их физических особенностей. Космогония рассматривает вопросы происхождения и эволюции небесных тел, в том числе и нашей Земли.
Изучение космогонических процессов является одной из главных задач астрофизики. Поскольку все небесные тела возникают и развиваются, идеи об их эволюции тесно связаны с представлениями о природе этих тел вообще.
В современной космогонии широко используется методология физики и химии. Космология изучает общие закономерности строения и развития Вселенной. Возникновение современной космологии связано с развитием в XX в. Первое исследование на эту тему Эйнштейн опубликовал в году под названием «Космологические соображения к общей теории относительности».
В нее он ввел три предположения: Вселенная однородна, изотропна и стационарна. Чтобы обеспечить последнее требование, Эйнштейн ввел в уравнения гравитационного поля дополнительный «космологический член». Полученное им решение означало, что Вселенная имеет конечный объем замкнута и положительную кривизну.
В году А. Фридман предложил нестационарное решение уравнения Эйнштейна, в котором изотропная Вселенная расширялась из начальной сингулярности. Подтверждением теории нестационарной вселенной стало открытие в году Э. Хабблом космологического красного смещения галактик. Таким образом возникла общепринятая сейчас теория Большого взрыва. Но так пока можно исследовать только ближайшие к Земле небесные светила. Играя такую же роль, как опыты в физике и химии, наблюдения в астрономии имеют ряд особенностей.
Мы наблюдаем положение небесных тел и их движение с Земли, которая сама находится в движении. Поэтому вид неба для земного наблюдателя зависит не только от того, в каком месте Земли он находится, но и от того, в какое время суток и года он наблюдает. Например, когда у нас зимний день, в Южной Америке летняя ночь, и наоборот. Есть звезды, видимые лишь летом или зимой. Все они кажутся нам одинаково далекими. Поэтому при наблюдениях обычно выполняют угловые измерения и уже по ним часто делают выводы о линейных расстояниях и размерах тел.
Такое расстояние называется угловым и выражается в градусах и его долях.
При этом считается, что две звезды находятся недалеко друг от друга на небе, если близки друг другу направления, по которым мы их видим рис. Возможно, что третья звезда С , на небе более далекая от Л , в пространстве к А ближе, чем звезда В. Угловое расстояние светила от горизонта называется высотой h светила над горизонтом.
Она выражается только в угловых единицах. Днем небо, если оно не закрыто облаками, имеет голубой цвет, и мы видим на нем самое яркое светило - Солнце. В безоблачную ночь на темном небе мы видим звезды, туманности, Луну, планеты, кометы и другие объекты. Первое впечатление от наблюдения звездного неба - это бесчисленность звезд и беспорядочность расположения их на небе.
В действительности, звезд, видимых невооруженным глазом, не так уж много: всего около шести тысяч в обоих полушариях неба, а на одной половине его, которая видна в данный момент из какой-либо точки земной поверхности, не более трех тысяч. Взаимное расположение звезд на небе меняется чрезвычайно медленно. Без точных измерений никаких заметных изменений в расположении звезд на небе нельзя обнаружить в продолжение многих сотен, а для подавляющего числа звезд - и многих тысяч лет.
Последнее обстоятельство позволяет легко ориентироваться среди тысяч звезд, несмотря на кажущуюся хаотичность в их расположении.
С целью ориентировки на небе яркие звезды давно уже были объединены в группы, названные созвездиями. Созвездия обозначались названиями животных Большая Медведица, Лев, Дракон и т.
С XVII в. Кроме того, яркие звезды около получили собственные имена. Например: Сириус, Капелла, Вега и т. Эти названия и обозначения звезд применяются и в настоящее время. Теперь все небо условно разделено на 88 отдельных участков - созвездий. Яркие звезды в созвездиях служат хорошими ориентирами для нахождения на небе слабых звезд или других небесных объектов. Поэтому необходимо научиться быстро находить то или иное созвездие непосредственно на небе. Для этого следует предварительно изучить карту звездного неба и запомнить характерные контуры, образуемые в созвездиях наиболее яркими звездами.
Если в ясную ночь пронаблюдать звездное небо в течение нескольких часов, то легко заметить, что небесный свод как одно целое со всеми находящимися на нем светилами плавно обращается вокруг некоторой воображаемой оси, проходящей через место наблюдения. Это движение небесного свода и светил называется суточным , так как полный оборот совершается за сутки. Вследствие суточного движения звезды и другие небесные тела непрерывно меняют свое положение относительно видимого горизонта.
Если наблюдать суточное движение звезд в северном полушарии Земли но не на полюсе и стоять лицом к южной стороне горизонта, то их движение происходит слева направо, т. На восточной стороне горизонта звезды восходят, затем поднимаются до некоторой наиболее высокой точки над горизонтом, после чего опускаются и заходят на западной стороне.
При этом каждая звезда всегда восходит в одной и той же точке восточной стороны горизонта и заходит всегда в одной и той же точке западной стороны.
Максимальная высота над горизонтом для каждой данной звезды и для данного места наблюдения также всегда постоянна. Если же стать лицом к северной стороне горизонта, то наблюдения покажут, что одни звезды будут также восходить и заходить, а другие описывать полные круги над горизонтом, вращаясь вокруг общей неподвижной точки. Эта точка называется северным полюсом мира. Приблизительное положение северного полюса мира на небе можно найти по самой яркой звезде в созвездии Малой Медведицы.
Эта звезда на звездных картах называется Полярной звездой. Солнце и Луна, так же как и звезды, восходят на восточной стороне горизонта и заходят на западной. Но, наблюдая восход и заход этих светил, можно заметить, что в разные дни года они восходят, в отличие от звезд, в разных точках восточной стороны горизонта и заходят также в разных точках западной стороны.
Так, Солнце в начале зимы восходит на юго-востоке, а заходит на юго-западе. Но с каждым днем точки его восхода и захода передвигаются к северной стороне горизонта. При этом с каждым днем Солнце в полдень поднимается над горизонтом все выше и выше, день становится длиннее, ночь - короче. В начале лета, достигнув некоторого предела на северо-востоке и на северо-западе, точки восхода и захода Солнца начинают перемещаться в обратном направлении, от северной стороны горизонта к южной.
При этом полуденная высота Солнца и продолжительность дня начинает уменьшаться, а продолжительность ночи - увеличиваться. Достигнув некоторого предела в начале зимы, точки восхода и захода Солнца снова начинают передвигаться к северной стороне неба, и все описанные явления повторяются.
Перемещаясь по созвездиям, Луна обходит полный круг по небу за 27,32 суток. Более тщательные и более продолжительные наблюдения показывают, что и Солнце, подобно Луне, перемещается по небу с запада на восток, проходя те же созвездия. Поэтому напомним некоторые географические понятия и термины, которыми в дальнейшем мы будем пользоваться.
Земля имеет почти шарообразную форму. Воображаемая прямая P n P s , вокруг которой Земля вращается, проходит через центр массы Земли и является ее осью вращения рис. Ось вращения пересекает поверхность Земли в двух точках: в северном географическом полюсе Р N и южном P S.
Он делит поверхность Земли на два полушария: северное с северным полюсом Р N и южное с южным полюсом P S. Нулевой меридиан и меридиан, отстоящий от нулевого на о , делят поверхность Земли на два полушария: восточное и западное.
Прямая линия ТО, по которой направлена сила тяжести в данной точке Земли, называется отвесной или вертикальной линией. В этом случае направление отвесной линии в любой точке земной поверхности проходит через центр Земли и совпадает с ее радиусом, а географические меридианы и экватор - окружности одинакового радиуса, равного радиусу Земли. Принято отсчитывать географическую долготу к востоку от начального меридиана, т.
Большой круг небесной сферы SWNE , плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии, называется математическим горизонтом. Математический горизонт следует отличать от видимого горизонта линии, вдоль которой «небо сходится с землей».
Видимый горизонт на суше - неправильная линия, точки которой лежат то выше, то ниже математического горизонта. Чтобы изучать строение Вселенной и природу небесных тел, астроном должен уметь прежде всего определять расстояния до интересующих его космических объектов. Как же измеряются расстояния до Луны и планет, Солнца и звезд? Обратимся к чертежу. Оно будет наибольшим, если два наблюдателя расположатся в диаметрально противоположных точках земного шара.
Измерения показали, что угол этого смещения очень мал - около 18 секунд дуги, то есть под таким углом с Солнца должна быть видна наша Земля. При наблюдении относительно близкого небесного тела Луны, Солнца, планеты из удаленных точек земной поверхности происходит так называемое параллактическое смещение, то есть тело кажется находящимся в разных точках небесной сферы.
Из тригонометрии известно, что предмет бывает виден под углом, равным одной секунде дуги, если он удален от наблюдателя на расстояние, в раз превышающее его линейные размеры или его диаметр.
Этим и воспользовались впервые Кассиии и Рише. Здесь под параллаксом следует понимать угол, под которым со светила виден экваториальный радиус Земли. Отсюда получалось, что среднее расстояние Земли от Солнца 1 а. Но по тем временам даже такой результат считался большим научным достижением. Параллактическое смещение близкой звезды на фоне звездного неба. Разрабатывались и другие способы определения длины астрономической единицы.
В частности, астрономы Пулковской обсерватории в г. В январе г. Из наблюдений Эроса была найдена величина параллакса Солнца 8,79 секунды дуги. Вычисленное по новому параллаксу среднее расстояние Земли от центральною светила составляло млн тыс. В х годах XX в. Сущность этого метода состоит в том, что в сторону небесного тела посылают мощный кратковременный импульс, а затем принимают отраженный сигнал.
Метод параллакса пригоден и для определения расстоянии до ближайших звезд. Пк - единица расстояния, которая широко используется в звездной астрономии, так как астрономическая единица слишком мала для измерения расстояний до звезд. Расстояние в парсеках вычисляется по очень простой формуле:. Самая близкая к нам звезда альфа Центавра имеет параллакс - 0,76 секунды дуги.
Стало быть, расстояние до нее - 1,32 пк.
Расстояния до звезд измеряют еще в световых годах. Основным астрономическим прибором является телескоп. Количество света, которое попадает в телескоп от наблюдаемого объекта, пропорционально площади объектива.
Чем больше размер объектива телескопа, тем более слабые светящиеся объекты в него можно увидеть. Изображение небесного объекта можно фотографировать или рассматривать через окуляр. Телескоп увеличивает видимые угловые размеры Солнца, Луны, планет и деталей на них, а также угловые расстояния между звездами, но звезды даже в очень сильный телескоп из-за огромной удаленности видны лишь как светящиеся точки. В рефракторе лучи, пройдя через объектив, преломляются, образуя изображение объекта в фокальной плоскости.
В рефлекторе лучи от вогнутого зеркала отражаются и потом также собираются в фокальной плоскости. При изготовлении объектива телескопа стремятся свести к минимуму все искажения, которыми неизбежно обладает изображение объектов. Для уменьшения этих недостатков объектив изготовляют из нескольких линз с разной кривизной поверхностей и из разных сортов стекла. Советский оптик Д. Максутов разработал систему телескопа, называемую менисковой. Она соединяет в себе достоинства рефрактора и рефлектора.
Существуют и другие телескопические системы. В телескопе получается перевернутое изображение, но это не имеет никакого значения при наблюдении космических объектов. При наблюдениях в телескоп редко используются увеличения свыше раз. Самый большой рефрактор имеет объектив диаметром около 1 м. Наибольший в мире рефлектор с диаметром вогнутого зеркала 6 м изготовлен в СССР и установлен в горах Кавказа.
Он позволяет фотографировать звезды в 10 7 раз более слабые, чем видимые невооруженным глазом. До середины XX в. А энергия фотонов пропорциональна частоте излучения.
В природе световые волны распространяются лучше всего в просторах Вселенной, так как там на их пути меньше всего помех. И человек, вооружившийся оптическими приборами, научился читать загадочные световые письмена. Спектр содержит важнейшую информацию об излучающем свет небесном теле.
Спектральный анализ является в наше время основным методом изучения физической природы небесных тел. Каждый газ, каждый химический элемент дает свои, только ему одному присущие линии в спектре.
Одним словом, спектр химического элемента - это его своеобразный «паспорт». И опытному спектроскописту достаточно лишь взглянуть на набор цветных линий, чтобы определить, какое вещество излучает свет.
Расстояния здесь, пусть даже космические, тоже не помеха. Так было установлено, что в атмосферах звезд преобладают водород и гелий. Очень важная характеристика звезды - ее температура. Возможности спектрального анализа почти неисчерпаемы!
Он убедительно показал, что химический состав Земли, Солнца и звезд одинаков. Правда, на отдельных небесных телах некоторых химических элементов может быть больше или меньше, но нигде не было обнаружено присутствие какого-то особого «неземного вещества». Сходство химического состава небесных тел служит важным подтверждением материального единства Вселенной.
Она разрабатывает теории строения небесных тел и протекающих в них процессов. И всей богатейшей информацией, поступающей к нам из глубин Вселенной, мы обязаны вестникам далеких миров - лучам света. Каждый, кто наблюдал звездное небо, знает, что созвездия не меняют своей формы. Однако впечатление, что звезды неподвижны, обманчиво. В настоящее время астрономы измеряют собственное движение звезд по фотографиям звездного неба, полученным с интервалом в 20, 30 и более лет. Если измерено и расстояние до этой звезды, то можно вычислить ее собственную скорость, т.
Но чтобы получить полную скорость звезды в пространстве, необходимо знать еще скорость, направленную по лучу зрения - к наблюдателю или от него. Определение пространственной скорости звезды при известном до нее расстоянии.
Определить же лучевую скорость звезды можно по расположению линий поглощения в ее спектре. Как известно, все линии в спектре движущегося источника света смещаются пропорционально скорости его движения. Изучив собственные движения звезд, астрономы получили возможность представить себе вид звездного неба созвездии в далеком прошлом и в отдаленном будущем. Знаменитый «ковш» Большой Медведицы через тыс.
Но в природе существуют еще невидимые электромагнитные излучения. Область радиоволн можно считать почти неограниченной, так как теоретически возможны электромагнитные волны очень большой длины. Мы смотрим в просторы Вселенной сквозь два «окна». Считайте, что нам повезло! Ведь эти лучи крайне опасны для жизни. Исчезни озон - они убили бы на Земле практически все живое. Многие тысячелетия люди наблюдали Вселенную только сквозь узкое «оптическое окно» атмосферы.
Лежит оно в области радиоволн. Правый край «радиоокна» ограничен метровыми волнами, так как волны длиной более 30 м почти полностью отражаются от земной ионосферы обратно - в космическое пространство. Она помогла человеку увидеть то, что недоступно для самой совершенной астрономической оптики.
И еще: радиоастрономические наблюдения можно вести и днем и ночью: они не зависят от капризов погоды. Принцип действия радиотелескопа тот же, что и оптического: он собирает электромагнитную энергию.
Ее отражающая металлическая поверхность концентрирует радиоизлучение наблюдаемого объекта на небольшой приемной антенне-облучателе, которая помещается в фокусе параболоида. Но голоса звезд лишены всякой музыкальности. Поэтому к приемнику радиотелескопа присоединяют обычно специальный самопишущий прибор.
Следовательно, радиоастрономы не «слышат» шороха звезд, а «видят» его на разграфленной бумаге. Как известно, в оптический телескоп мы наблюдаем сразу все, что попадает в его поле зрения. С радиотелескопом дело обстоит сложнее.
Способность же радиотелескопа собирать энергию зависит от размеров его антенны: чем больше площадь антенны, тем больше энергии она улавливает. Иначе говоря, радиотелескоп не позволял точно определить положение наблюдаемого объекта на небе, он был неспособен различать детали на Солнце, а также на поверхности Луны и планет. Самый большой в мире радиотелескоп с вращающимся параболоидом диаметром 76 м установлен в английской обсерватории Джодрелл-Бэнк.
Вес этой махины не считая подвижных частей оставляет т. Диаметр этой гигантской чаши - м! Полеты космических аппаратов открыли перед астрономами невиданные ранее возможности, которыми наземная астрономия никогда не располагала, да и не могла располагать.
Они улавливают невидимые излучения, которые поглощаются атмосферой и не достигают земной поверхности. И совсем не обязательно, чтобы своим внешним видом они напоминали привычный нам телескоп. Вообще же рентгеновским телескопам доступно около миллиона таких источников, то есть столько, сколько лучшим радиотелескопам. Как же выглядит рентгеновское небо? В рентгеновских лучах Вселенная представляется совершенно иной, чем она видна в оптические телескопы.
Многие небесные тела, украшающие небо Земли - Луна и планеты - в рентгеновских лучах не видны. Как известно, космическое гамма-излучение возникает вследствие физических процессов, в которых участвуют частицы высоких энергий, процессов, происходящих внутри атомных ядер. Самым главным и самым массивным! Поэтому не случайно великое светило занимает в Солнечной системе нейтральное положение.
Наиболее значительные из них - большие планеты. Подобно Земле и Луне, собственного света они не имеют - освещаются исключительно солнечными лучами. А самые далекие планеты - Уран, Нептун и Плутон - были открыты с помощью телескопов. Далеко идущие последствия имел призыв Платона к астрономам разложить неравномерные движения светил на «совершённые» движения по окружностям [16]. На этот призыв откликнулся Евдокс Книдский , учитель Архимеда и сам ученик египетских жрецов. В своих не сохранившихся сочинениях он изложил кинематическую схему движения планет с несколькими наложенными круговыми движениями, всего по 27 сферам [17].
Правда, согласие с наблюдениями для Марса было плохим. Дело в том, что орбита Марса заметно отличается от круговой, так что траектория и скорость движения планеты по небу меняются в широких пределах.
Евдокс также составил звёздный каталог [18] [19]. Аристотель , автор «Физики», тоже был учеником Платона. В его сочинениях было немало рациональных мыслей; он убедительно доказал, что Земля — шар, опираясь на форму тени Земли при лунных затмениях, оценил окружность Земли в стадиев, или около 70 км — завышено почти вдвое, но для того времени точность неплохая.
Но встречаются и множество ошибочных утверждений: разделение земных и небесных законов мира, отрицание пустоты и атомизма, четыре стихии как первоосновы материи плюс небесный эфир [20] , противоречивая механика: «стрелу в полёте подталкивает воздух» — даже в Средневековье это нелепое положение высмеивалось Филопон, Буридан. Метеоры он считал атмосферными явлениями, родственными молнии [21]. Концепции Аристотеля часть философов канонизировала ещё при его жизни, и в дальнейшем многие противоречащие им здравые идеи встречались враждебно — например, гелиоцентризм Аристарха Самосского.
Аристарх впервые пытался также измерить расстояние до Солнца и Луны и их диаметры; для Солнца он ошибся на порядок получилось, что диаметр Солнца в раз больше земного , но до Аристарха все полагали, что Солнце меньше Земли.
Именно поэтому он и решил, что в центре мира находится Солнце. Более точные измерения углового диаметра Солнца выполнил Архимед , в его пересказе нам и известны взгляды Аристарха, сочинения которого утрачены.
Эратосфен в г. С III века до н. Но греки пошли значительно дальше. Около года до н. Аполлоний Пергский разработал новый метод представления неравномерного периодического движения через базовую окружность — деферент — и кружащуюся вокруг деферента вторичную окружность — эпицикл ; само светило движется по эпициклу. В астрономию этот метод ввёл выдающийся астроном Гиппарх , работавший на Родосе.
Методика Аполлония позволила ему построить математическую теорию движения Солнца и Луны.
Гиппарх ввёл понятия эксцентриситета орбиты, апогея и перигея , уточнил длительность синодического и сидерического лунных месяцев с точностью до секунды , средние периоды обращения планет. По таблицам Гиппарха можно было предсказывать солнечные и лунные затмения с неслыханной для того времени точностью — до часов. Кстати, именно он ввёл географические координаты — широту и долготу.
Но главным результатом Гиппарха стало открытие смещения небесных координат — « предварения равноденствий ». Чтобы облегчить слежение за изменениями на небе, Гиппарх составил каталог для звёзд, разбив их на 6 классов по яркости. Систему Гиппарха завершил великий александрийский астроном, математик, оптик и географ Клавдий Птолемей. Но главное его достижение — «Мегале синтаксис» Большое построение ; арабы превратили это название в «Аль Маджисти», отсюда позднейшее « Альмагест ».
Труд содержит фундаментальное изложение геоцентрической системы мира. Будучи принципиально неверной, система Птолемея , тем не менее, позволяла с достаточной для того времени точностью предвычислять положения планет на небе и потому удовлетворяла, до известной степени, практическим запросам в течение многих веков. Распространение христианства и развитие феодализма в Средние века привели к потере интереса к естественным наукам , и развитие астрономии в Европе затормозилось на многие столетия.
Летоисчисление Рима велось от легендарного основания Рима — с 21 апреля года до н. Из стран Восточной Азии наибольшее развитие древняя астрономия получила в Китае [23]. По легенде, в г. Примерно в это же время китайцы уточнили продолжительность солнечного года ,25 дней [23].
Соответственно небесный круг делили на ,25 градусов или на 28 созвездий по движению Луны [23]. Обсерватории появились в XII веке до н. Но гораздо раньше китайские астрологи прилежно регистрировали все необычные события на небе затмения, кометы — «звёзды-мётлы», метеорные потоки , новые звёзды. Первая запись о появлении кометы относится к г. Самое раннее однозначно идентифицируемое сообщение о комете Галлея датируется г. Возможно, что наблюдавшаяся комета г. Начиная с 87 г. В г. Из других достижений китайской астрономии отметим правильное объяснение причины солнечных и лунных затмений, открытие неравномерности движения Луны [27] , измерение сидерического периода сначала для Юпитера 12 лет, точное значение: Календарей в Китае было множество [30].
К VI веку до н. Начало года — день зимнего солнцестояния, начало месяца — новолуние. Сутки делились на 12 часов названия которых использовались и как названия месяцев или на частей [30]. Календарные реформы в Китае проводились постоянно. Годы объединялись в летний цикл : каждый год посвящался одному из 12 животных Зодиака и одной из 5 стихий: вода, огонь, металл, дерево, земля [30]. Каждой стихии соответствовала одна из планет; имелась и шестая — первичная — стихия «ци» эфир. Позже ци делили на несколько видов: инь-ци и ян-ци , и другие, согласовывая с учением Лао Цзы VI век до н.
У индийцев заметных успехов в астрономии — в отличие от математики — не было; позже они охотно переводили и комментировали греческие сочинения [31]. Наиболее ранние сведения о знаниях индийцев в области естественных наук относятся к эпохе Индской цивилизации, датирующейся III тысячелетием до н. Учёные Индии, в отличие от вавилонских и древнекитайских, практически не интересовались изучением звёзд и не составляли звёздных каталогов.
В V веке н. Он также правильно объяснил причины солнечных и лунных затмений и предсказал несколько предстоящих затмений. Его взгляды вызвали негодование правоверных индуистов, к которым присоединился даже Брахмагупта : [32]. Последователи Ариабхаты говорят, что Земля движется, а небо покоится. Но в их опровержение было сказано, что если бы это было так, то камни и деревья упали бы с Земли… Среди людей есть такие, которые думают, что затмения вызываются не Головой [дракона Раху].
Это абсурдное мнение, ибо это она вызывает затмения, и большинство жителей мира говорят, что именно она вызывает их.
Напротив того, Ариабхата, идя наперекор всем, из вражды к упомянутым священным словам утверждает, что затмение вызывается не Головой, а только Луной и тенью Земли… Эти авторы должны подчиниться большинству, ибо всё, что есть в Ведах — священно. Инкская астрономия непосредственно связана с космологией и мифологией, поскольку каждая вака священное место на земле отражала некое небесное тело или явление.
Это нашло отражение во многих легендах, где при сотворении мира небесные объекты сошли под землю, а потом вновь вышли из скал, пещер, родников, то есть из каждой уаки [33]. Из них же вышли сами народы, по представлениям инков. Первостепенным небесным объектом считался Млечный Путь « Майю » — Река , на котором или вблизи которого расположены все более мелкие значимые объекты.
Положения Майю в периоды, когда в результате вращения земли ось Млечного Пути максимально отклоняется в ту и в другую сторону от линии Север—Юг, отмечают границы, членящие мир на четыре сектора [34]. На земле примерно под тем же углом пересекаются две центральные улицы селения и продолжающие их дороги и оросительные каналы [35].
Инки знали различие между звёздами кечуа Quyllur и планетами кечуа Hatun quyllur. Инкские названия планет дают основания полагать, что астрономам инков были известны Галилеевы спутники Юпитера и обусловленная атмосферой нечёткость краёв диска Венеры.
Измерения велись по размещённым на холмах и пригорках возле Куско столбам или камням: два на Восток от города, и два — на Запад. Через них выходило и садилось солнце, когда оно достигало Тропика Рака и Козерога. Два камня, по которым определялось начало зимы, назывались Пукуй-Суканка ; два других, обозначавших начало лета, назывались Чирав? У Хосе де Акосты упоминается о 12 столбах. Он их называет Succanga [38]. Антонио де ла Каланча приводит сведения о 8 столбах с восточной стороны и 8 столбах с западной [39].
Похоже, что уже в середине XVI века , после завоевания испанцами, эти столбы в Куско были заброшены и наблюдение за ними прекратилось или ослабевало. Цивилизация майя II—X век н. Древние астрономы майя умели предсказывать затмения, и очень тщательно наблюдали за различными, наиболее хорошо видимыми астрономическими объектами, такими как Плеяды, Меркурий , Венера , Марс и Юпитер [40].
Остатки городов и храмов-обсерваторий выглядят впечатляюще. К сожалению, сохранились только 4 рукописи разного возраста и тексты на стелах. Майя проводили астрономические исследования вообще без каких бы то ни было приборов, стоя на вершинах пирамид-«обсерваторий». Единственный инструмент, который они использовали, это скрещённые палки для фиксации точки наблюдения. Жрецы, которые изучают звёзды, изображены вместе с приборами в рукописях Наттол, Сельдена и Ботли [42].
Майя с большой точностью определили синодические периоды всех 5 планет особо почиталась Венера , придумали очень точный календарь [40].
Месяц майя содержал 20 дней, а неделя — Начало календарной эры отнесено к году до н. В Европе друиды кельтских племён определённо обладали какими-то астрономическими знаниями; есть основания предполагать, что Стоунхендж был не только местом ритуалов, но и обсерваторией.
Построен он был около — гг. В эпоху Средневековья европейские астрономы занимались преимущественно наблюдениями видимых движений планет, согласовывая их с принятой геоцентрической системой Птолемея. Интересные космологические идеи можно найти в сочинениях Оригена из Александрии, видного апологета раннего христианства, ученика Филона Александрийского.
Ориген призывал воспринимать Книгу Бытия не буквально, а как символический текст. Вселенная, по Оригену, содержит множество миров, в том числе обитаемых. Более того, он допускал существование множества Вселенных со своими звёздными сферами. Каждая Вселенная конечна во времени и в пространстве, но сам процесс их зарождения и гибели бесконечен:. Что касается меня, то скажу, что Бог приступил к своей деятельности не тогда, когда был создан наш видимый мир; и подобно тому, как после окончания существования последнего возникает другой мир, точно так же до начала Вселенной существовала другая Вселенная… Итак, следует полагать, что не только существуют одновременно многие миры, но и до начала нашей Вселенной существовали многие Вселенные, а по окончании её будут другие миры.
С этого момента система мира Аристотеля-Птолемея фактически сливается с католической догматикой. Экспериментальный поиск истины подменялся более привычной для теологии методикой — поиском подходящих цитат в канонизированных сочинениях и их пространным комментированием. Возрождение научной астрономии в Европе началось на Пиренейском полуострове, на стыке арабского и христианского мира.
Вначале определяющую роль играли проникавшие с арабского Востока трактаты — зиджи. Во второй половине XI века арабские астрономы, собравшиеся в Кордовском халифате под руководством аз-Заркали Арзахеля составили Толедские таблицы. Вспомогательные таблицы для расчёта затмений в Толедских таблицах почти полностью заимствованы из зиджей ал-Хорезми и ал-Баттани , развивавших теорию Птолемея и уточнявших её устаревшие к тому времени параметры на основе новых более точных измерений [43].
В XII веке благодаря Герарду Кремонскому таблицы проникли в латинский мир и были адаптированы под христианский календарь Тулузские таблицы.
Незадолго до года работа над совершенствованием этих таблиц продолжилась в Париже. Результат этой многовековой работы поколений астрономов разных стран и народов был напечатан в году как первое издание Альфонсинских таблиц [44]. В XV веке немецкий философ, кардинал Николай Кузанский , заметно опередив своё время, высказал мнение, что Вселенная бесконечна, и у неё вообще нет центра — ни Земля, ни Солнце, ни что-либо иное не занимают особого положения.
Все небесные тела состоят из той же материи, что и Земля, и, вполне возможно, обитаемы. За век до Галилея он утверждал: все светила, включая Землю, движутся в пространстве, и каждый находящийся на нём наблюдатель вправе считать неподвижным.
В XV веке большую роль в развитии наблюдательной астрономии сыграли труды Георга Пурбаха , а также его ученика и друга Иоганна Мюллера Региомонтана. Кстати, они стали первыми в Европе учёными, не имевшими духовного сана. Только что появившееся книгопечатание способствовало тому, что исправленный учебник Пурбаха и «Эфемериды» Региомонтана в течение десятилетий были основными астрономическими руководствами для европейцев.
Таблицы Региомонтана были намного точнее прежних и исправно служили вплоть до Коперника. Их использовали Колумб и Америго Веспуччи. Позже таблицы некоторое время использовались даже для расчётов по гелиоцентрической модели. Региомонтан также предложил метод определения долготы по разнице табличного и местного времени, соответствующего заданному положению Луны. Он констатировал расхождение юлианского календаря с солнечным годом почти на 10 дней, что заставило церковь задуматься о календарной реформе.
Такая реформа обсуждалась на Латеранском соборе Рим, — и была реализована в году. К XVI веку стало ясно, что система Птолемея неадекватна и приводит к недопустимо большим расчётным ошибкам. Николай Коперник стал первым, кто предложил детально проработанную альтернативу, причём основанную на совершенно иной модели мира. Главный труд Коперника — « О вращении небесных сфер » лат. De Revolutionibus Orbium Coelestium — был в основном завершён в году , но только перед смертью Коперник решился опубликовать его.
Впрочем, в — годах Коперник распространял среди друзей рукописный конспект своей теории «Малый комментарий о гипотезах, относящихся к небесным движениям» , а его ученик Ретик опубликовал ясное изложение гелиоцентрической системы в году. По-видимому, слухи о новой теории широко разошлись уже в х годах.
По структуре главный труд Коперника почти повторяет « Альмагест » в несколько сокращённом виде 6 книг вместо В первой книге также приведены аксиомы, но вместо положения о неподвижности Земли помещена иная аксиома — Земля и другие планеты вращаются вокруг оси и вокруг Солнца.
Эта концепция подробно аргументируется, а «мнение древних» более или менее убедительно опровергается. Коперник упоминает как своих союзников только античных философов Филолая и Никетаса. С гелиоцентрических позиций Коперник без труда объясняет возвратное движение планет.
Далее приводится тот же материал, что и у Птолемея, лишь немного уточнённый: сферическая тригонометрия, звёздный каталог, теория движения Солнца и Луны, оценка их размеров и расстояния до них, теория прецессии и затмений.
В книге III, посвящённой годовому движению Земли, Коперник делает эпохальное открытие: объясняет « предварение равноденствий » смещением направления земной оси. В книгах V и VI, посвящённых движению планет, благодаря гелиоцентрическому подходу стало возможно оценить средние расстояния планет от Солнца, и Коперник приводит эти данные, довольно близкие к современным значениям.
Система мира Коперника, с современной точки зрения, ещё недостаточно радикальна. Все орбиты круговые, движение по ним равномерное, так что эпициклы пришлось сохранить — правда, вместо 80 их стало Механизм вращения планет сохранён прежним — вращение сфер, к которым прикреплены планеты. Но тогда ось Земли в ходе годичного вращения должна поворачиваться, описывая конус; чтобы объяснить смену времён года, Копернику пришлось ввести третье обратное вращение Земли вокруг оси, перпендикулярной эклиптике, которое использовал также для объяснения прецессии.
На границу мира Коперник поместил сферу неподвижных звёзд. Строго говоря, модель Коперника даже не была гелиоцентрической, так как Солнце он расположил не в центре планетных сфер.
Птолемеевское смещение центра орбиты эквант Коперник, естественно, исключил, и это стало шагом назад — первоначально более точные, чем птолемеевы, таблицы Коперника вскоре существенно разошлись с наблюдениями, что немало озадачило и охладило её восторженных поклонников.
И всё же в целом модель мира Коперника была колоссальным шагом вперёд.
Католическая церковь вначале отнеслась к возрождению «пифагорейства» благодушно, отдельные её столпы даже покровительствовали Копернику. Папа Климент VII , озабоченный уточнением календаря, поручил кардиналу Вигманштадту прочитать высшему клиру лекцию о новой теории, которая и была со вниманием выслушана.
Появились, однако, среди католиков и ярые противники гелиоцентризма. Однако уже с х годов в нескольких университетах Швейцарии и Италии начались лекции по системе Коперника. Математическая основа модели Коперника была несколько проще, чем у птолемеевой, и этим сразу воспользовались в практических целях: были выпущены уточнённые астрономические « Прусские » таблицы , Э. Из других событий бурного XVI века отметим, что 5 октября года была проведена давно запланированная календарная реформа 5 октября стало м.
Новый календарь был назван григорианским в честь папы Григория XIII, но настоящим автором проекта был итальянский астроном и врач Луиджи Лиллио. Великий итальянский учёный Галилео Галилей систему Коперника принял с энтузиазмом, причём сразу отверг фиктивное «третье движение», показав на опыте, что ось движущегося волчка сохраняет своё направление сама собой [45] [46].
Для доказательства правоты Коперника он использовал телескоп. Шлифованные стеклянные линзы были известны ещё вавилонянам [47] ; наиболее древняя из найденных при раскопках линз относится к VII веку до н. В году в Голландии была изобретена зрительная труба; узнав об этом летом года, Галилей самостоятельно построил значительно усовершенствованный её вариант, создав первый в мире телескоп- рефрактор [48].
Увеличение телескопа сначала было трёхкратным, позднее Галилей довёл его до кратного [48]. Результаты своих исследований Галилей изложил в серии статей «Звёздный вестник» [48] , вызвав среди учёных настоящий шквал оптических наблюдений за небом. Оказалось, что Млечный Путь состоит из скоплений отдельных звёзд, что на Луне есть горы [49] высотой до 7 км, что близко к истине и впадины, на Солнце есть пятна [49] , а у Юпитера — спутники термин «спутник» ввёл позже Кеплер.
Особенно важным было открытие, что Венера имеет фазы [49] ; в системе Птолемея Венера как «нижняя» планета была всегда ближе к Земле, чем Солнце, и «полновенерие» было невозможно. Галилей отметил, что диаметр звёзд, в отличие от планет, в телескопе не увеличивается, а некоторые туманности, даже в увеличенном виде, не распадаются на звёзды; это явный признак, что расстояния до звёзд колоссальны даже по сравнению с расстояниями в Солнечной системе.
Галилей обнаружил у Сатурна выступы, которые принял за два спутника. Потом выступы исчезли кольцо повернулось , Галилей посчитал своё наблюдение иллюзией и не возвращался более к этой теме; кольцо Сатурна открыл в году Христиан Гюйгенс.
Эллипсы Кеплера Галилей не принял, продолжая верить в круговые орбиты планет. Причиной этого, возможно, стало чрезмерное увлечение Кеплера мистической нумерологией и «мировой гармонией». Галилей признавал только позитивное знание и не уважал пифагорейство. Лично Кеплера он высоко ценил и вёл с ним оживлённую переписку, однако нигде в своих работах о нём не упоминал.
Изображение в телескопе Галилея было не очень чётким, в основном по причине хроматической аберрации. По этой и по другим причинам сообщение об открытиях Галилея вызвало у многих недоверие и даже насмешки.
Галилея также, что было куда неприятнее, обвинили в ереси. Он неоднократно был вынужден ездить в Рим, лично и письменно объясняться с высшим духовенством и инквизицией. Утверждать, что Солнце стоит неподвижно в центре мира — мнение нелепое, ложное с философской точки зрения и формально еретическое, так как оно прямо противоречит Св. Утверждать, что Земля не находится в центре мира, что она не остаётся неподвижной и обладает даже суточным вращением, есть мнение столь же нелепое, ложное с философской и греховное с религиозной точки зрения.
Книга Коперника была включена в Индекс запрещённых книг «до её исправления» [52]. Сначала огромный научный авторитет и покровительство знатных особ, включая кардинала Барберини позднее ставшего папой Урбаном VIII спасали Галилея от репрессий.
Но выход в свет « Диалогов о двух главнейших системах мира » январь-февраль , хотя и разрешённый папской цензурой, вызвал ярость инквизиции и самого папы Урбана, который заподозрил, что именно его вывели в книге под именем простака Симпличио. Несмотря на демонстративно нейтральную позицию автора, доводы коперниканца Сальвиати в книге явно более убедительны, чем его противников. Мало того, в «Диалоге» содержались предположения о бесконечности Вселенной и множественности обитаемых миров.
Уже в августе того же года «Диалоги» были внесены в пресловутый «Индекс», нерадивого цензора уволили, книгу изъяли из продажи, а в октябре летнего Галилея вызвали в Римскую инквизицию. Попытки тосканского герцога добиться отсрочки процесса ввиду плохого здоровья учёного и чумного карантина в Риме успеха не имели, и в феврале года Галилей вынужден был явиться в Рим.
Процесс Галилея продолжался до июня года. По приговору, Галилей был признан виновным в том, что он поддерживал и распространял ложное, еретическое и противное Св. Писанию учение. Учёного заставили публично покаяться и отречься от «ереси» [53]. Затем его направили в тюрьму, но несколько дней спустя папа Урбан разрешил отпустить Галилея под надзор инквизиции.
В декабре он вернулся на родину, в деревню близ Флоренции, где и провёл остаток жизни в режиме домашнего ареста. До середины XVI века астрономические наблюдения в Европе были не слишком регулярными. Первым проводить систематические наблюдения начал датский астроном Тихо Браге , используя специально для этого оборудованную обсерваторию « Ураниборг » в Дании остров Вен [54]. Он соорудил крупные, уникальные для Европы инструменты, благодаря которым определял положение светил с небывалой ранее точностью [54].
К этому времени не только «Альфонсинские», но и более новые «Прусские таблицы» давали большую ошибку. Для повышения точности Браге применял как технические усовершенствования, так и специальную методику нейтрализации погрешностей наблюдения. Браге первым измерил параллакс кометы года и показал, что это не атмосферное, как полагали ранее даже Галилей , а космическое тело [55].
Тем самым он разрушил представление, разделяемое даже Коперником, о существовании планетных сфер — кометы явно двигались в свободном пространстве. Длину года он измерил с точностью до 1 секунды [56]. В движении Луны он открыл два новых неравенства — вариацию и годичное уравнение, а также колебание наклона лунной орбиты к эклиптике [54]. Но главная заслуга Тихо Браге — непрерывная ежедневная , в течение 15—20 лет [54] , регистрация положения Солнца, Луны и планет [56].
Для Марса , чьё движение самое неравномерное, накопились наблюдения за 16 лет, или 8 полных оборотов Марса [56]. Браге был знаком с системой Коперника ещё по «Малому комментарию», однако сразу указал на её недостатки — у звёзд нет параллакса [54] , у Венеры не наблюдается смена фаз так как телескопа в то время ещё не было, существовала именно эта точка зрения и др. Вместе с тем он оценил вычислительные удобства новой системы и в году предложил компромиссный вариант , близкий к «египетской модели» Гераклида: Земля неподвижна в пространстве, вращается вокруг оси, Луна и Солнце вращаются вокруг неё, а прочие планеты — вокруг Солнца [56].
Часть астрономов поддержала такой вариант. Проверить правильность своей модели Браге не сумел из-за недостаточного знания математики, и поэтому, переехав в Прагу по приглашению императора Рудольфа , пригласил туда в году молодого немецкого учёного Иоганна Кеплера [57].
На следующий год Тихо Браге скончался, и Кеплер занял его место [57]. Кеплера более привлекала система Коперника — как менее искусственная, более эстетичная и соответствующая той божественной «мировой гармонии», которую он усматривал во Вселенной. Используя наблюдения марсианской орбиты [57] , выполненные Тихо Браге, Кеплер пытался подобрать форму орбиты и закон изменения скорости Марса, наилучшим образом согласующиеся с опытными данными.
Он браковал одну модель за другой, пока, наконец, эта настойчивая работа не увенчалась первым успехом — были сформулированы два закона Кеплера [57] :. Второй закон объясняет неравномерность движения планеты: чем ближе она к Солнцу, тем быстрее движется. Основные идеи Кеплера он изложил в труде «Новая астрономия, или физика неба» [57] , причём, осторожности ради, относил их только к Марсу.
Позже в книге «Гармония мира» он распространил их на все планеты и сообщил, что открыл третий закон:. Этот закон фактически устанавливает скорость движения планет второй закон регулирует только изменение этой скорости и позволяет их вычислить, если известна скорость одной из планет например, Земли и расстояния планет до Солнца [57] [58].
Кеплер издал свои астрономические таблицы, посвящённые императору Рудольфу « Рудольфинские » [57]. Через год после смерти Кеплера, 7 ноября года , Гассенди наблюдал предсказанное им прохождение Меркурия по диску Солнца [60] [61]. Уже современники Кеплера убедились в точности открытых им законов, хотя их глубинный смысл до Ньютона оставался непонятным [57].
Никаких серьёзных попыток реанимировать Птолемея или предложить иную систему движения больше не было.
В истории науки Галлей знаменит более всего своими исследованиями комет. Обработав многолетние данные, он вычислил орбиты более 20 комет и отметил, что несколько их появлений, в том числе года , относятся к одной и той же комете названной его именем. Он назначил новый визит своей кометы на год , хотя самому Галлею не суждено было убедиться в точности своего предсказания [73]. Ньютон открыл причину хроматической аберрации , которую он ошибочно считал неустранимой; на самом деле, как позже выяснилось, применение нескольких линз в объективе может существенно ослабить этот эффект.
Ньютон пошёл другим путём и изобрёл зеркальный телескоп-рефлектор ; имея небольшие размеры, он давал значительное увеличение и отличное чёткое изображение [75] [76].
Начали появляться первые космогонические гипотезы. Уильям Уистон предположил, что Земля первоначально была кометой, которая столкнулась с другой кометой, после чего Земля стала вращаться вокруг оси, и на ней появилась жизнь; книга Уистона «Новая теория Земли…» англ. Великий Жорж Бюффон тоже привлёк комету, но в его модели год комета упала на Солнце и вышибла оттуда струю вещества, из которого и образовались планеты [79] [80].
Хотя возмущённая церковь заставила Бюффона письменно отречься от этой гипотезы, его трактат вызвал большой интерес и даже в году был переиздан. Интересные мысли содержались в книге Руджера Бошковича «Теория натуральной философии, приведённая к единому закону сил, существующих в природе» год — структурная бесконечность Вселенной, динамический атомизм, возможность сжатия или расширения Вселенной без изменения физических процессов в ней, существование взаимопроникающих, но взаимно ненаблюдаемых миров и др.
Английский астроном-самоучка Томас Райт первым предположил, что Вселенная состоит из отдельных «звёздных островов». Эти острова, согласно модели Райта, вращаются вокруг некоего «божественного центра» он, впрочем, допускал, что центров может быть более одного.
Райт, а также Сведенборг и позже Кант рассматривали туманности как удалённые звёздные системы. К концу XVIII века астрономы получили мощные инструменты исследования — как наблюдательные усовершенствованные рефлекторы , так и теоретические небесная механика , фотометрия и др.
Продолжалось развитие методов небесной механики. По мере увеличения точности наблюдений выявились отклонения движения планет от кеплеровых орбит. Теория учёта возмущений для задачи многих тел была создана усилиями Эйлера , А. Клеро , Лагранжа , но прежде всего — Пьера Симона Лапласа , исследовавшего самые сложные случаи, включая наиболее неясную задачу — устойчивость системы.
После работ Лапласа отпали последние сомнения в том, что законов Ньютона достаточно для описания всех небесных движений. Помимо прочего, Лаплас разработал первую полную теорию движения спутников Юпитера с учётом взаимовлияния и возмущений от Солнца. Эта проблема была очень актуальной, так как лежала в основе единственного известного тогда точного метода определения долготы на море, а составленные ранее таблицы положения этих спутников устаревали очень быстро.
Важную роль в развитии астрономии сыграл великий английский учёный немецкого происхождения Уильям Гершель [90]. Он построил уникальные для того времени рефлекторы с диаметром зеркал до 1,2 м и виртуозно ими пользовался [91].
Гершель открыл седьмую планету — Уран год [90] и его спутники год [90] , вращающиеся «не в ту сторону» год , несколько спутников Сатурна , обнаружил сезонные изменения полярных шапок Марса , объяснил полосы и пятна на Юпитере как облака, измерил период вращения Сатурна и его колец год. Он открыл, что вся Солнечная система движется по направлению к созвездию Геркулеса год , при изучении спектра Солнца открыл инфракрасные лучи год , установил корреляцию солнечной активности по числу пятен и земных процессов — например, урожая пшеницы и цен на неё.
Но главным его занятием за все тридцать лет наблюдений было исследование звёздных миров. Он зарегистрировал свыше новых туманностей [90]. Среди них были двойные и кратные; некоторые были соединены перемычками, что Гершель истолковал как формирование новых звёздных систем [90]. Впрочем, тогда на это открытие не обратили внимания; взаимодействующие галактики были переоткрыты уже в XX веке [90].
Гершель первым систематически применял в астрономии статистические методы введённые ранее Мичелом , и с их помощью сделал вывод, что Млечный Путь — изолированный звёздный остров, который содержит конечное число звёзд и имеет сплюснутую форму.
