Введение
Наблюдательная астрономия — это раздел астрономии, занимающийся сбором данных о наблюдаемой Вселенной, в отличие от теоретической астрономии, которая в основном сосредоточена на вычислении измеримых следствий физических моделей. Она представляет собой практику и изучение наблюдения небесных объектов с использованием телескопов и других астрономических инструментов. Как наука, астрономия несколько затруднена тем, что проведение прямых экспериментов со свойствами далёкой Вселенной невозможно. Однако это частично компенсируется тем, что астрономы располагают огромным количеством наблюдаемых примеров звёздных явлений, которые можно исследовать. Это позволяет строить графики на основе данных наблюдений и регистрировать общие закономерности. Близлежащие примеры конкретных явлений, таких как переменные звёзды, затем могут быть использованы для установления закономерностей поведения более далёких объектов. Эти далёкие ориентиры, в свою очередь, можно использовать для измерения других явлений в этой области, включая расстояние до галактик. Галилео Галилей направил телескоп в небо и зафиксировал увиденное. С тех пор наблюдательная астрономия постоянно развивается с каждым улучшением телескопической техники.
Observational astronomy is a division of astronomy that is concerned with recording data about the observable universe, in contrast with theoretical astronomy, which is mainly concerned with calculating the measurable implications of physical models. It is the practice and study of observing celestial objects with the use of telescopes and other astronomical instruments. As a science, the study of astronomy is somewhat hindered in that direct experiments with the properties of the distant universe are not possible. However, this is partly compensated by the fact that astronomers have a vast number of visible examples of stellar phenomena that can be examined. This allows for observational data to be plotted on graphs, and general trends recorded. Nearby examples of specific phenomena, such as variable stars, can then be used to infer the behavior of more distant representatives. Those distant yardsticks can then be employed to measure other phenomena in that neighborhood, including the distance to a galaxy. Galileo Galilei turned a telescope to the heavens and recorded what he saw. Since that time, observational astronomy has made steady advances with each improvement in telescope technology.
Методы
Помимо использования электромагнитного излучения, современные астрофизики могут также проводить наблюдения с помощью нейтрино, космических лучей или гравитационных волн. Наблюдение источника несколькими методами называется мультимессенджерной астрономией. Оптическую и радиоастрономию можно проводить с помощью наземных обсерваторий, поскольку атмосфера относительно прозрачна для используемых длин волн. Обсерватории обычно располагают на больших высотах, чтобы минимизировать поглощение и искажения, вызываемые атмосферой Земли. Некоторые длины волн инфракрасного света сильно поглощаются водяным паром, поэтому многие инфракрасные обсерватории размещают в сухих местах на большой высоте или в космосе. Атмосфера непрозрачна для длин волн, используемых в рентгеновской астрономии, гамма-астрономии, ультрафиолетовой астрономии и (за исключением отдельных "окон" в спектре) дальней инфракрасной астрономии, поэтому наблюдения в основном проводят с помощью воздушных шаров или космических обсерваторий. Однако мощные гамма-лучи можно обнаружить по обширным воздушным ливням, которые они вызывают, а изучение космических лучей – это быстро развивающаяся область астрономии.
Важные факторы
На протяжении большей части истории наблюдательной астрономии почти все наблюдения проводились в видимом спектре с помощью оптических телескопов. Хотя атмосфера Земли относительно прозрачна в этой части электромагнитного спектра, большинство телескопов по-прежнему зависят от условий видимости и прозрачности воздуха и, как правило, ограничены ночным временем. Условия видимости зависят от турбулентности и тепловых колебаний в воздухе. Места, которые часто покрыты облаками или страдают от атмосферной турбулентности, ограничивают разрешение наблюдений. Аналогично, присутствие полной Луны может осветлять небо рассеянным светом, затрудняя наблюдение слабых объектов. Для наблюдений оптимальным местоположением для оптического телескопа, несомненно, является открытый космос. Там телескоп может проводить наблюдения, не подвергаясь воздействию атмосферы. Однако в настоящее время вывод телескопов на орбиту остается дорогостоящим. Поэтому следующими лучшими местами являются определенные горные вершины, которые характеризуются большим количеством безоблачных дней и, как правило, хорошими атмосферными условиями (с хорошей видимостью). Вершины островов Мауна-Кеа (Гавайи) и Ла-Пальма обладают этими свойствами, а в меньшей степени – внутренние районы, такие как Льяно-де-Чайнантор, Параналь, Серро-Тололо и Ла-Силла в Чили. Эти места расположения обсерваторий привлекли множество мощных телескопов, общие инвестиции в которые исчисляются многими миллиардами долларов США. Темнота ночного неба является важным фактором в оптической астрономии. С расширением размеров городов и населенных пунктов увеличивается и количество искусственного освещения ночью. Эти искусственные источники света создают диффузное фоновое освещение, которое значительно затрудняет наблюдение слабых астрономических объектов без специальных фильтров. В некоторых местах, таких как штат Аризона и Соединенное Королевство, это привело к кампаниям по сокращению светового загрязнения. Использование защитных экранов вокруг уличных фонарей не только улучшает количество света, направленного на землю, но и помогает уменьшить свет, направленный в небо. Атмосферные эффекты (астрономическая видимость) могут серьезно ухудшить разрешение телескопа. Без каких-либо средств коррекции размывающего эффекта колеблющейся атмосферы телескопы с апертурой более 15–20 см не могут достичь своего теоретического разрешения в видимом диапазоне длин волн. В результате основным преимуществом использования очень больших телескопов стала улучшенная способность собирать свет, позволяющая наблюдать очень слабые объекты. Однако проблему с разрешением начали решать с помощью адаптивной оптики, спекл-визуализации и интерферометрической визуализации, а также использования космических телескопов.
Результаты измерений
Астрономы располагают рядом инструментов наблюдения, которые они могут использовать для измерений небесных тел. Для объектов, относительно близких к Солнцу и Земле, можно проводить прямые и очень точные измерения положения относительно более удалённого (и, следовательно, практически неподвижного) фона. Ранние наблюдения такого рода позволили разработать высокоточные орбитальные модели различных планет, а также определить их массы и гравитационные возмущения. Именно такие измерения привели к открытию планет Уран, Нептун и (косвенно) Плутон. Они также стали причиной ошибочного предположения о существовании вымышленной планеты Вулкан внутри орбиты Меркурия, однако объяснение прецессии орбиты Меркурия, данное Эйнштейном, считается одним из величайших достижений его общей теории относительности.
Развитие и разнообразие
Помимо изучения Вселенной в оптическом спектре, астрономы все чаще получают информацию в других частях электромагнитного спектра. Первые такие неоптические измерения были сделаны для определения тепловых характеристик Солнца. Приборы, использовавшиеся во время солнечного затмения, позволяли измерять излучение солнечной короны.
Радиоастрономия
С открытием радиоволн начала формироваться радиоастрономия как новая дисциплина в астрономии. Большие длины волн радиоволн требовали гораздо более крупных антенн для получения изображений с хорошим разрешением, что впоследствии привело к разработке многоэлементных интерферометров для создания радиоизображений высокой точности методом апертурного синтеза (или "радиокарт"). Разработка микроволнового конусообразного приемника привела к открытию микроволнового фонового излучения, связанного с Большим взрывом. Радиоастрономия продолжает расширять свои возможности, в том числе за счет использования радиоастрономических спутников для создания интерферометров с базовыми линиями, значительно превышающими размер Земли. Однако всё более широкое использование радиочастотного спектра для других целей постепенно заглушает слабые радиосигналы от звёзд. В связи с этим в будущем радиоастрономические наблюдения могут проводиться в экранированных местах, таких как обратная сторона Луны.
Развитие конца 20-го века
В последней трети двадцатого века произошел стремительный технологический прогресс в области астрономической аппаратуры. Оптические телескопы становились все больше, и стали применять адаптивную оптику для частичной компенсации атмосферных искажений. В космос были выведены новые телескопы, которые начали наблюдать Вселенную в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-излучении, а также регистрировать космические лучи. Интерферометрические установки позволили получить первые изображения с исключительно высоким разрешением, используя синтез апертуры в радио-, инфракрасном и оптическом диапазонах длин волн. Орбитальные обсерватории, такие как космический телескоп Хаббл, значительно расширили астрономические знания, став основным инструментом для наблюдений слабых объектов в видимом свете. Ожидается, что разрабатываемые новые космические инструменты смогут непосредственно наблюдать планеты у других звезд, возможно, даже планеты, подобные Земле. Помимо телескопов, астрономы начали использовать и другие приборы для проведения наблюдений.
Другие инструменты
Нейтринная астрономия — это раздел астрономии, который изучает астрономические объекты с помощью детекторов нейтрино в специальных обсерваториях, как правило, представляющих собой огромные подземные резервуары. Ядерные реакции в звездах и взрывы сверхновых производят очень большое количество нейтрино, но лишь немногие из них могут быть зарегистрированы нейтринным телескопом. Нейтринная астрономия обусловлена возможностью наблюдения процессов, недоступных для оптических телескопов, таких как ядро Солнца. Ведутся разработки детекторов гравитационных волн, способных регистрировать события, такие как столкновения массивных объектов, например, нейтронных звезд или черных дыр. Роботизированные космические аппараты все шире используются для получения высокодетализированных наблюдений планет в Солнечной системе, в результате чего планетарная наука все больше пересекается с геологией и метеорологией.
Телескопы
Ключевым инструментом почти всей современной наблюдательной астрономии является телескоп. Он выполняет две функции: собирает больше света, позволяя наблюдать очень слабые объекты, и увеличивает изображение, чтобы можно было наблюдать небольшие и далёкие объекты. Для оптической астрономии требуются телескопы с оптическими компонентами высокой точности. Типичные требования к шлифовке и полировке изогнутого зеркала, например, подразумевают, что поверхность должна соответствовать определённой конической форме с точностью до доли длины волны света. Многие современные "телескопы" фактически состоят из массивов телескопов, работающих совместно для получения более высокого разрешения посредством синтеза апертуры. Большие телескопы размещают в куполах для защиты от погодных условий и стабилизации окружающей среды. Например, если температура на разных сторонах телескопа отличается, форма конструкции изменяется из-за теплового расширения, которое выводит оптические элементы из положения. Это может повлиять на качество изображения. Поэтому купола обычно окрашены в ярко-белый цвет (диоксид титана) или выполнены из необработанного металла. Купола часто открывают около заката, задолго до начала наблюдений, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха и выровнять температуру телескопа с температурой окружающей среды. Для предотвращения влияния ветра или других вибраций на наблюдения, телескоп обычно устанавливают на бетонный пьедестал, фундамент которого полностью отделён от фундамента купола и здания. Для проведения практически любой научной работы необходимо, чтобы телескопы отслеживали объекты, движущиеся по видимому небу. Иными словами, они должны плавно компенсировать вращение Земли. До появления систем управления с компьютерным приводом стандартным решением служила экваториальная монтировка, которая до сих пор используется для небольших телескопов. Однако это конструктивно слабое решение, которое становится всё более громоздким с увеличением диаметра и веса телескопа. Самый большой в мире телескоп с экваториальной монтировкой – 200-дюймовый (5,1 м) телескоп Хейла, в то время как современные 8–10-метровые телескопы используют структурно более надёжную азимутальную монтировку и, несмотря на большие зеркала, физически меньше телескопа Хейла. По состоянию на 2006 год велись проектные работы по созданию гигантских телескопов с азимутальной монтировкой: Тридцатиметрового телескопа и Огромно Большого телескопа диаметром 100 м. Астрономы-любители используют такие инструменты, как ньютоновский рефлектор, рефрактор и всё более популярный телескоп Максутова.
Фотография
Фотография играла критически важную роль в наблюдательной астрономии более века, но за последние 30 лет она во многом уступила место цифровым сенсорам, таким как ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS) чипы, для задач получения изображений. Электронные детекторы используются в специализированных областях астрономии, таких как фотометрия и интерферометрия, уже гораздо более длительное время. Астрофотография использует специализированную фотопленку (или чаще стеклянную пластину, покрытую фотоэмульсией), однако у нее есть ряд недостатков, в особенности низкий квантовый выход, порядка 3%, в то время как квантовый выход ПЗС может быть настроен до >90% в узком диапазоне. Почти все современные инструменты для телескопов – это электронные матрицы, а старые телескопы либо были модернизированы этими инструментами, либо закрыты. Стеклянные пластины все еще применяются в некоторых областях, например, при астрометрических наблюдениях, поскольку разрешение, достижимое с помощью химической пленки, значительно выше, чем у любого созданного на сегодняшний день электронного детектора.
Преимущества
До изобретения фотографии вся астрономия велась с помощью невооружённого глаза. Однако, ещё до того, как фотоплёнки стали достаточно чувствительными, научная астрономия полностью перешла на фотосъёмку благодаря огромным преимуществам: человеческий глаз постоянно отбрасывает увиденное, в то время как фотоплёнка накапливает свет всё время, пока открыта затвор. Полученное изображение остаётся постоянным, что позволяет многим астрономам использовать одни и те же данные. Это даёт возможность наблюдать изменения объектов во времени (ярким примером является сверхновая SN 1987A).
The human eye discards what it sees from split second to split second, but photographic film gathers more and more light for as long as the shutter is open. The resulting image is permanent, so many astronomers can use the same data. It is possible to see objects as they change over time (SN 1987A is a spectacular example).
Сравнительный прибор для мигания
Компаратор вспышек – это прибор, используемый для сравнения двух почти идентичных фотографий одного и того же участка неба, сделанных в разное время. Прибор попеременно освещает обе пластины, и любые изменения становятся заметными благодаря мигающим точкам или полосам. Этот прибор применялся для поиска астероидов, комет и переменных звезд.
Микрометр
Позиционный или кросс-проводный микрометр – это прибор, используемый для измерения двойных звёзд. Он состоит из пары тонких, подвижных нитей, которые можно перемещать вместе или по отдельности. Линза телескопа наводится на эту пару и ориентируется при помощи позиционных нитей, расположенных под прямым углом к направлению разделения звёзд. Затем подвижные нити подстраиваются так, чтобы совпасть с положениями обеих звёзд. Расстояние между звёздами считывается с прибора, а их истинное расстояние определяется с учётом увеличения телескопа.
Спектрограф
Важным инструментом наблюдательной астрономии является спектрограф. Поглощение определенных длин волн света элементами позволяет наблюдать специфические свойства удалённых объектов. Эта возможность привела к открытию гелия в солнечном спектре излучения и позволила астрономам получить обширную информацию о далёких звёздах, галактиках и других небесных телах. Доплеровский сдвиг (особенно "красное смещение") спектров также может использоваться для определения радиальной скорости или расстояния до объекта относительно Земли. Первые спектрографы использовали системы призм, которые разлагали свет на широкий спектр. Позднее был разработан решётчатый спектрограф, который уменьшил потери света по сравнению с призмами и обеспечил более высокое спектральное разрешение. Спектр можно фотографировать с длительной выдержкой, что позволяет измерять спектры тусклых объектов (например, далёких галактик). Звёздная фотометрия начала применяться в 1861 году для измерения звёздных цветов. Эта техника измеряла блеск звезды в определённых диапазонах частот, позволяя определить её общий цвет и, следовательно, температуру. К 1951 году была принята международно стандартизированная система звёздных величин UBV (ультрафиолетовый, синий, видимый).
Фотоэлектрическая фотометрия
Фотоэлектрическая фотометрия с использованием ПЗС (CCD) сейчас часто применяется для наблюдений через телескоп. Эти чувствительные приборы способны регистрировать изображение почти до уровня отдельных фотонов и могут быть сконструированы для наблюдения в частях спектра, невидимых глазу. Возможность регистрации небольшого числа фотонов в течение определенного времени позволяет проводить некоторую компьютерную коррекцию атмосферных искажений, повышая четкость изображения. Несколько цифровых изображений также могут быть объединены для дальнейшего улучшения качества изображения, процесс, часто называемый "накоплением" (или "стейкингом"). В сочетании с адаптивной оптикой качество изображения может приближаться к теоретическому разрешающему потенциалу телескопа. Фильтры используются для наблюдения объекта на определенных частотах или в определенных диапазонах частот. Многослойные интерференционные фильтры обеспечивают очень точный контроль пропускаемых и блокируемых частот, позволяя, например, наблюдать объекты на частоте, излучаемой исключительно возбужденными атомами водорода. Фильтры также могут частично компенсировать влияние светового загрязнения, блокируя нежелательный свет. Поляризационные фильтры позволяют определить, излучает ли источник поляризованный свет, и установить ориентацию поляризации.
Наблюдение
Астрономы наблюдают широкий спектр астрономических источников, включая галактики с высоким красным смещением, активные галактические ядра, послесвечение Большого взрыва и множество различных типов звезд и протозвезд. Для каждого объекта можно наблюдать различные данные. Координаты положения определяют местоположение объекта на небе с использованием методов сферической астрономии, а звездная величина определяет его яркость, видимую с Земли. Относительная яркость в различных частях спектра предоставляет информацию о температуре и физике объекта. Фотографии спектров позволяют изучить химический состав объекта. Для определения расстояния можно использовать параллактические сдвиги звезды на фоне, в пределах, определяемых разрешением прибора. Радиальная скорость звезды и изменения ее положения во времени (собственное движение) могут быть использованы для измерения ее скорости относительно Солнца. Изменения яркости звезды свидетельствуют о нестабильности в атмосфере звезды или о наличии затмевающей звезды-компаньона. Орбиты двойных звезд позволяют измерить относительные массы каждого компонента или общую массу системы. Спектроскопические двойные звезды обнаруживаются по допплеровским сдвигам в спектре звезды и ее близкого компаньона. Звезды одинаковой массы, сформировавшиеся одновременно и в сходных условиях, обычно имеют практически идентичные наблюдаемые характеристики. Наблюдение за группой тесно связанных звезд, например, в шаровом скоплении, позволяет собрать данные о распределении звездных типов. Эти данные затем можно использовать для определения возраста скопления. Для далеких галактик и активных галактических ядер наблюдаются общая форма и свойства галактики, а также окружение, в котором они находятся. Наблюдения за определенными типами переменных звезд и сверхновых известной светимости, называемых стандартными свечами, в других галактиках позволяют оценить расстояние до галактики-хозяина. Расширение Вселенной приводит к смещению спектров этих галактик в зависимости от расстояния и изменению вследствие допплеровского эффекта, обусловленного радиальной скоростью галактики. Как размер галактики, так и ее красное смещение могут быть использованы для оценки расстояния до нее. Наблюдения большого числа галактик, известные как обзоры красного смещения, используются для моделирования эволюции форм галактик.