Astronómia: definícia, objekty a metódy štúdia vesmíru

Staroveké

Prví astronómovia používali na pozorovanie hviezd iba oči. Z náboženských dôvodov vytvárali mapy súhvezdí a hviezd a kalendáre na určenie ročného obdobia. Rané civilizácie, ako napríklad Mayovia a starí Egypťania, postavili jednoduché observatóriá a nakreslili mapy polôh hviezd. Začali tiež uvažovať o mieste Zeme vo vesmíre. Ľudia si dlho mysleli, že Zem je stredom vesmíru a že planéty, hviezdy a Slnko obiehajú okolo nej. Tento názor je známy ako geocentrizmus.

Starovekí Gréci sa snažili vysvetliť pohyby Slnka a hviezd pomocou meraní. Matematik menom Eratosthenes bol prvý, kto zmeral veľkosť Zeme a dokázal, že Zem je guľa. Teória iného matematika menom Aristarchos bola, že Slnko je v strede a Zem sa pohybuje okolo neho. Táto teória je známa ako heliocentrizmus. Len málo ľudí si myslelo, že je správna. Ostatní naďalej verili v geocentrický model. Väčšina názvov súhvezdí a hviezd pochádza od vtedajších Grékov.

Arabskí astronómovia dosiahli v stredoveku mnohé pokroky vrátane zdokonalených hviezdnych máp a spôsobov, ako odhadnúť veľkosť Zeme. Učili sa tiež od starých ľudí prekladaním gréckych kníh do arabčiny.

Od renesancie po modernú éru

Počas renesancie si kňaz Mikuláš Koperník na základe pozorovania pohybu planét myslel, že Zem nie je stredom všetkého. Na základe predchádzajúcich prác tvrdil, že Zem je planéta a všetky planéty sa pohybujú okolo Slnka. Tým sa vrátila stará myšlienka heliocentrizmu. Fyzik menom Galileo Galilei zostrojil vlastný ďalekohľad a prvýkrát sa pomocou neho pozrel na hviezdy a planéty zblízka. Súhlasil s Kopernikom. Katolícka cirkev rozhodla, že Galileo sa mýlil. Zvyšok života musel stráviť v domácom väzení. Heliocentrické myšlienky čoskoro vylepšili Johannes Kepler a Isaac Newton, ktorí vynašli teóriu gravitácie.

Po Galileovi sa začali vyrábať lepšie ďalekohľady, ktoré sa používali na pozorovanie vzdialenejších objektov, napríklad planét Urán a Neptún. Videli tiež, že hviezdy sú podobné nášmu Slnku, ale majú rôzne farby a veľkosti. Videli aj tisíce ďalších vzdialených objektov, ako sú galaxie a hmloviny.

Moderná éra

V 20. storočí po roku 1920 nastali v astronómii významné zmeny.

Začiatkom 20. rokov 20. storočia sa začalo uznávať, že galaxia, v ktorej žijeme, Mliečna dráha, nie je jedinou galaxiou. Existenciu ďalších galaxií vyriešil Edwin Hubble, ktorý identifikoval hmlovinu v Andromede ako inú galaxiu. Bol to tiež Hubble, kto dokázal, že vesmír sa rozpína. Vo veľkých vzdialenostiach sa nachádzalo mnoho ďalších galaxií, ktoré sa vzďaľujú, vzďaľujú sa od našej galaxie. To bolo úplne neočakávané.

V roku 1931 Karl Jansky objavil rádiové žiarenie mimo Zeme, keď sa snažil izolovať zdroj šumu v rádiovej komunikácii, čo znamenalo zrod rádioastronómie a prvé pokusy o využitie inej časti elektromagnetického spektra na pozorovanie oblohy. Tie časti elektromagnetického spektra, ktoré atmosféra neblokuje, sa teraz otvorili astronómii, čo umožnilo ďalšie objavy.

Otvorením tohto nového okna do vesmíru sa objavili úplne nové veci, napríklad pulzary, ktoré vysielali do vesmíru pravidelné impulzy rádiových vĺn. Najskôr sa predpokladalo, že tieto vlny sú mimozemského pôvodu, pretože impulzy boli také pravidelné, že naznačovali umelý zdroj.

V období po 2. svetovej vojne pribudlo viac observatórií, kde sa na dobrých pozorovacích miestach stavali a prevádzkovali veľké a presné ďalekohľady, spravidla vládami. Napríklad Bernard Lovell začal s rádioastronómiou v Jodrell Bank s využitím zvyškov vojenského radarového zariadenia. Do roku 1957 mal tento objekt najväčší riadený rádioteleskop na svete. Podobne sa koncom 60. rokov 20. storočia začali budovať špecializované observatóriá na Mauna Kea na Havaji, ktorá je vďaka svojej vysokej nadmorskej výške a jasnej oblohe vhodným miestom pre viditeľné a infračervené teleskopy.

Ďalšia veľká revolúcia v astronómii nastala vďaka zrodu raketovej techniky. To umožnilo umiestniť teleskopy do vesmíru na satelitoch.

Vesmírne teleskopy po prvýkrát v histórii umožnili prístup k celému elektromagnetickému spektru vrátane žiarenia, ktoré bolo blokované atmosférou. Röntgenové žiarenie, gama žiarenie, ultrafialové žiarenie a časti infračerveného spektra sa sprístupnili astronómii, keď sa spustili pozorovacie teleskopy. Rovnako ako v prípade iných častí spektra sa uskutočnili nové objavy.

Od 70. rokov 20. storočia boli vypúšťané satelity, ktoré boli nahradené presnejšími a kvalitnejšími satelitmi, čo spôsobilo, že obloha bola zmapovaná takmer vo všetkých častiach elektromagnetického spektra.

Objavy sa vo všeobecnosti delia na dva typy: telesá a javy. Telesá sú veci vo vesmíre, či už je to planéta ako naša Zem alebo galaxia ako naša Mliečna dráha. Fenomény sú udalosti a deje vo vesmíre.

Telá

Táto časť je rozdelená podľa toho, kde sa tieto astronomické telesá nachádzajú: telesá okolo hviezd sú slnečné telesá, telesá vo vnútri galaxií sú galaktické telesá a všetky ostatné väčšie telesá sú kozmické telesá.

Solárne

• Planéty
• Asteroidy
• Kométy

Galaktické

• Hviezdy

Difúzne objekty:

• Nebubliny
• Klastre

Kompaktné hviezdy:

• Hviezdy bielych trpaslíkov
• Neutrónové hviezdy
• Čierne diery

Kozmické

• Galaxie
• Zhluky galaxií
• Superclusters

Fenomény

Výbuchy sú udalosti, pri ktorých dôjde k náhlej zmene na oblohe, ktorá rýchlo zmizne. Nazývajú sa bursty, pretože sa zvyčajne spájajú s veľkými výbuchmi, ktoré produkujú "výbuch" energie. Patria k nim napr:

• Supernovy
• Novas

Periodické udalosti sú také, ktoré sa opakujú pravidelne. Názov periodický pochádza z periódy, čo je čas potrebný na to, aby vlna dokončila jeden cyklus. Medzi periodické javy patria:

• Pulzary
• Premenné hviezdy

Hlukové javy sa zvyčajne týkajú vecí, ktoré sa stali dávno. Signál z týchto udalostí sa odráža vo vesmíre, až sa zdá, že prichádza zo všetkých strán a málo sa líši v intenzite. Týmto spôsobom sa podobá "šumu", signálu pozadia, ktorý preniká do každého prístroja používaného v astronómii. Najbežnejším príkladom šumu je statický šum, ktorý vidíme na analógových televíznych prijímačoch. Hlavným astronomickým príkladom je napr: kozmické žiarenie pozadia.

Nástroje

• Hlavným nástrojom pozorovania sú ďalekohľady. Zoberú všetko svetlo z veľkej oblasti a umiestnia ho na malú plochu. To je ako keby ste si urobili veľmi veľké a výkonné oči. Astronómovia používajú ďalekohľady na pozorovanie vecí, ktoré sú vzdialené a nejasné. Vďaka ďalekohľadom sa objekty zdajú byť väčšie, bližšie a jasnejšie.
• Spektrometre skúmajú rôzne vlnové dĺžky svetla. To ukazuje, z čoho sa niečo skladá.
• Mnohé teleskopy sa nachádzajú v satelitoch. Sú to vesmírne observatóriá. Zemská atmosféra blokuje niektoré časti elektromagnetického spektra, ale špeciálne teleskopy nad atmosférou môžu toto žiarenie zachytiť.

• Rádioastronómia využíva rádioteleskopy. Apertúrna syntéza kombinuje menšie teleskopy a vytvára fázovú sústavu, ktorá funguje ako teleskop veľký ako vzdialenosť medzi menšími teleskopmi.

Techniky

Astronómovia môžu získať lepšie snímky oblohy. Svetlo zo vzdialeného zdroja sa dostane na senzor a zmeria sa, zvyčajne ľudským okom alebo fotoaparátom. V prípade veľmi slabých zdrojov nemusí zo zdroja vychádzať dostatok svetelných častíc na to, aby ho bolo možné vidieť. Jednou z techník, ktorú majú astronómovia k dispozícii na jeho zviditeľnenie, je použitie integrácie (čo je ako dlhšie expozície vo fotografii).

Integrácia

Astronomické zdroje sa príliš nepohybujú: ich pohyb po oblohe spôsobuje len rotácia a pohyb Zeme. Keď častice svetla v priebehu času dorazia do kamery, dopadajú na to isté miesto, čím sa stáva jasnejším a viditeľnejším ako pozadie, až kým ho nie je možné vidieť.

Teleskopy na väčšine observatórií (a satelitné prístroje) môžu bežne sledovať zdroj pri jeho pohybe po oblohe, takže hviezda sa teleskopu javí ako nehybná a umožňuje dlhšie expozície. Okrem toho sa snímky môžu robiť v rôznych nociach, takže expozície trvajú hodiny, dni alebo dokonca mesiace. V digitálnej ére sa môžu digitalizované snímky oblohy sčítať pomocou počítača, ktorý snímky po korekcii pohybu prekrýva.

Adaptívna optika

Adaptívnaoptika znamená zmenu tvaru zrkadla alebo šošovky počas pozorovania, aby ste niečo lepšie videli.

Analýza údajov

Analýza údajov je proces, pri ktorom sa z astronomického pozorovania získava viac informácií ako len jednoduchým pozorovaním. Pozorovanie sa najprv uloží ako údaje. Tieto údaje sa potom analyzujú rôznymi technikami.

Fourierova analýza

Fourierova analýza v matematike môže ukázať, či sa pozorovanie (v priebehu určitého časového úseku) periodicky mení (mení sa ako vlna). Ak áno, môže extrahovať frekvencie a typ vlnového vzoru a nájsť mnoho vecí vrátane nových planét.

Dobrým príkladom polí sú pulzary, ktoré pravidelne pulzujú v rádiových vlnách. Ukázalo sa, že sú podobné niektorým (ale nie všetkým) typom jasných zdrojov v röntgenovom žiarení, ktoré sa nazývajú röntgenové dvojhviezdy s nízkou hmotnosťou. Ukázalo sa, že všetky pulzary a niektoré LMXB sú neutrónové hviezdy a že rozdiely sú spôsobené prostredím, v ktorom sa neutrónová hviezda nachádza. Ukázalo sa, že tie LMXB, ktoré neboli neutrónovými hviezdami, sú čiernymi dierami.

V tejto časti sa pokúsime poskytnúť prehľad dôležitých oblastí astronómie, obdobia ich významu a pojmov, ktoré sa na ich opis používajú. Treba poznamenať, že astronómia v novoveku bola rozdelená najmä podľa elektromagnetického spektra, hoci existujú určité dôkazy, že sa to mení.

Polia podľa tela

Slnečná astronómia

Slnečná astronómia je štúdium Slnka. Slnko je najbližšia hviezda k Zemi, vzdialená približne 92 miliónov (92 000 000) míľ. Je najjednoduchšie ho podrobne pozorovať. Pozorovanie Slnka nám môže pomôcť pochopiť, ako fungujú a vznikajú ostatné hviezdy. Zmeny na Slnku môžu ovplyvniť počasie a podnebie na Zemi. Zo Slnka neustále vychádza prúd nabitých častíc nazývaný slnečný vietor. Slnečný vietor narážajúci na magnetické pole Zeme spôsobuje polárnu žiaru. Štúdium Slnka pomohlo ľuďom pochopiť, ako funguje jadrová fúzia.

Planetárna astronómia

Planetárna astronómia sa zaoberá štúdiom planét, mesiacov, trpasličích planét, komét a asteroidov, ako aj iných malých objektov, ktoré obiehajú okolo hviezd. Planéty našej slnečnej sústavy podrobne skúmali mnohé vesmírne sondy, ako napríklad Cassini-Huygens (Saturn) a Voyager 1 a 2.

Galaktická astronómia

Galaktická astronómia je štúdium vzdialených galaxií. Štúdium vzdialených galaxií je najlepším spôsobom, ako spoznať našu vlastnú galaxiu, pretože plyny a hviezdy v našej galaxii sťažujú jej pozorovanie. Galaktickí astronómovia sa snažia pochopiť štruktúru galaxií a spôsob ich vzniku pomocou rôznych typov teleskopov a počítačových simulácií.

Astronómia gravitačných vĺn

Astronómia gravitačných vĺn je štúdium vesmíru v spektre gravitačných vĺn. Doteraz sa v astronómii využívalo elektromagnetické spektrum. Gravitačné vlny sú vlnenia v časopriestore, ktoré vysielajú veľmi husté objekty meniace svoj tvar, medzi ktoré patria bieli trpaslíci, neutrónové hviezdy a čierne diery. Keďže nikto nebol schopný gravitačné vlny priamo detegovať, vplyv astronómie gravitačných vĺn bol veľmi obmedzený.