Исследование электромагнитного излучения небесных тел
Цель: Познакомить учащихся с методами астрономических исследований.
- формирование понятий о видах астрономических наблюдений и указать на особенности проведения некоторых астрономических наблюдений,
- формирование умений анализировать информацию и обрабатывать ее.
- принцип работы и назначение оптического телескопа
- принцип работы и назначение радиотелескопа
- определять увеличение школьного телескопа и наводить его на заданный объект
- анализировать компьютерную спектрограмму школьного радиотелескопа
- конспекты для учащихся,
- телескоп-рефрактор,
- телескоп-рефлектор,
- модель радиотелескопа,
- компьютер с программным обеспечением.
1. Введение
Научно-технический прогресс способствовал развитию методов астрономических наблюдений. Изобретение и применение телескопа с начала 17 века, открытие спектрального анализа и фотографии в XIX веке, возникновении радиоастрономии в XX веке. К середине XX века астрономия становится практически всеволновой. Любой диапазон спектра электромагнитных излучений приносит информацию от удаленных космических объектов. До середины XIX века астрономия была исключительно оптической, т.к. регистрировался преимущественно только диапазон видимого света. Затем исследования распространились на инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны. В настоящее время анализ электромагнитного излучения дает астрономам свыше 90% информации о процессах происходящих на космических телах.
2. Оптические телескопы
Рассказ об оптических телескопах удобно проводить с помощью конспекта.
(См приложение № 1) Рисунки телескопов в конспекте сопровождаются демонстрацией телескопа соответствующего типа.
3. Радиотелескопы
Радиоизлучение от космических тел принимаются специальными устройствами, называемыми радиотелескопами, которые состоят из антенны и высокочувствительного приемника – радиометра. Указывается на возможные типы антенн, не забывая о том, что хорошая антенна – лучший усилитель. Что антенна не примет – уже не усилишь, не преобразуешь и не покажешь на экране. Рассказ о радиотелескопах лучше всего пояснить презентацией. (См приложение № 2)
Радионаблюдения по сравнению с оптическими визуальными наблюдениями имеют ряд преимуществ. Радиоволны практически не задерживаются облаками, поэтому наблюдения на радиотелескопах ведутся в любую погоду, а дневной солнечный свет не мешает приему радиоизлучения от небесных объектов.
4. Закрепление материала и решение задач
- Для чего предназначен оптический телескоп?
- Назовите основные виды оптических телескопов и укажите на их главные отличия?
- От каких факторов зависит увеличение телескопа? Какими параметрами определяется увеличение телескопа?
- Чем оптические телескопы отличаются от радиотелескопов?
- Каким способом можно повысить разрешающую способность радиотелескопа?
- В чем состоит преимущество внеатмосферной астрономии по сравнению с земной?
1. Какое увеличение можно получить с помощью школьного телескопа, в котором установлен объектив с фокусным расстоянием 800 мм и окуляром с фокусным расстоянием 10 мм?
Г = F / f , Г = 800 / 10 = 80.
2. Определить разрешающую способность школьного телескопа с диаметром объектива 60 мм.
= 140 » / D , = 140 » / 60 = 2,3».
3. На какой спектрограмме видно характерное радиоизлучение удаленных объектов
4. Определить проникающую способность (силу) школьного оптического телескопа с диаметром объектива 60 мм.
m = 2,1 + 5 lg D , m = 2,1 + 5 lg 60 = 11,0
Теоретически доступны объекты 11 звездной величины.
Невооруженным глазом только 6 звездной величины.
5. Вычислить разрешающую способность радиотелескопа, если длина волны 0,68 м, а эквивалентный диаметр зеркала антенны 6,8 м.
Электромагнитное излучение
В исследовании природы небесных тел большое внимание уделяется изучению их электромагнитного излучения. Небесные тела в зависимости от своего физического состояния излучают электромагнитные волны различной длины.
В вакууме электромагнитные волны всегда распространяются с одинаковой для всех видов излучения скоростью \(с = 3 \cdot 10^<8>\:\frac<м><с>\).
Очень важным свойством электромагнитного излучения является то, что скорость его распространения не зависит ни от длины волны, ни от скорости движения источника. Волны характеризуются частотой (\(\nu\)) и длиной (\(\lambda\)), между которыми существует зависимость: \[c = \nu \lambda.\]
Электромагнитные волны, имеющие разную длину волны, взаимодействуют с веществом по-разному. Соответственно методы исследования электромагнитного излучения отличаются. В связи с этим электромагнитное излучение условно делится на несколько диапазонов:
| Диапазоны | Длина волны, \(\lambda\) |
|---|---|
| Радиоволны | Больше 1 мм |
| Инфракрасные лучи | От 760 нм до 1 мм |
| Видимые лучи | От 390 до 760 нм |
| Ультрафиолетовые лучи | От 10 до 390 нм |
| Рентгеновские лучи | От 0,01 до 10 нм |
| Гамма-лучи | Меньше 0,01 нм |
Излучение с длиной волны от 390 до 760 нм человеческий глаз воспринимает как свет, причем разным длинам волн соответствуют разные цвета (от фиолетового до красного). Для обнаружения излучения в других диапазонах требуются специальные приборы.
В зависимости от своего физического состояния одни небесные тела излучают энергию в узких интервалах частот спектра электромагнитных волн (например, светлые газовые туманности), другие — во всем его диапазоне: от гамма-лучей до радиоволн включительно (например, звезды). Изучение физической природы небесных тел в широком диапазоне электромагнитного излучения привело к появлению в науке следующих разделов: гамма-астрономии, рентгеновской астрономии, инфракрасной астрономии, радиоастрономии и др.
Изучение электромагнитных волн, испускаемых небесными телами, затрудняется из-за того, что атмосфера Земли пропускает излучение лишь в определенных диапазонах длин волн: от 300 до 1000 нм, от 1 см до 20 м и в нескольких «окнах» инфракрасного диапазона. Излучение, доходящее до поверхности Земли, исследуют с помощью оптических телескопов (видимый свет) и радиотелескопов.
Сильнее всего атмосфера поглощает коротковолновую область диапазона электромагнитного излучения: ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Наблюдения в этих диапазонах возможны только с помощью приборов, поднятых на большую высоту (на самолетах или зондах), либо установленных на межпланетных космических станциях, комплексах, искусственных спутниках Земли и ракетах.
Звук в космосе: какие мелодии рождают планеты, пульсары и кометы
В космосе никто не услышит, как вы кричите. Дело в том, что на Земле звук распространяется в виде волн в воздухе. Но в бесконечном пространстве разреженного газа и пыли его просто нет. Однако существуют еще электромагнитные и радиоволны, рентгеновское и гамма-излучение: их принимают антенной и транспонируют в слышимый человеческим ухом диапазон. «Хайтек» рассказывает, как звучат объекты в космосе — от комет, газовых гигантов и экзопланет до красных карликов в последние минуты жизни.
Читайте «Хайтек» в
Человек воспринимает звук в результате интерпретации мозгом сигнала из окружающего мира звуковыми сенсорами — ушами. Барабанная перепонка в ухе улавливает высокочастотные изменения давления воздуха, а мозг обрабатывает полученный сигнал. У звука, который слышит человек, существует диапазон — от 16 до 20 кГц. Все, что выше и ниже этих значений, недоступно для человеческого уха.
Звуковые волны — механические колебания, которые рождаются в среде в результате давления на ее частицы. Благодаря наличию кислорода среда на Земле упругая, а череда ее сжатий и растяжений позволяет звуковой волне распространяться в ней. В космосе ситуация иная: отсутствие кислорода делает невозможным распространение звука в привычном понимании.
Как звучит пульсар
В январе 2018 года радиотелескоп «Аресибо» уловил излучение пульсара PSR B1957 + 20 из созвездия Стрелы в момент супервспышки. Поток энергии уничтожил часть поверхности красного карлика, компаньона пульсара по двоичной системе «Черная вдова».
Пульсар — космический источник радио-, оптического, рентгеновского или гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков, импульсов. Пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды с магнитным полем, которое наклонено к оси вращения, что вызывает модуляцию приходящего на Землю излучения.
Астрофизики из Университета Торонто конвертировали гамма-излучение пульсара в звук, который способен услышать человек, — и получили красивую мелодию, в которой красный карлик будто просит о помощи.
Музыкальное творчество астрофизиков
Чтобы люди услышали излучение небесных тел, ученым приходится транспортировать электромагнитные волны в звуковые. Результатом таких преобразований является творчество астрономов и физиков, а не хаотичный набор звуков, как в случае с записью падения камня, проезжающего поезда или шума моря.
Электромагнитные волны и другие излучения преобразуют в звук по правилам, которые придумывают сами астрофизики. В них мощность излучения или длина волны соответствуют звуку на определенной частоте или высоте. Этот процесс похож на создание светомузыки — когда тому или иному звуку соответствуют вспышка света или затухание.
Впервые астрофизики преобразовали излучение космических тел в звук в 1996 году. Тогда зонд «Галилео» передал на Землю запись электромагнитных волн, излучаемых крупнейшей планетой в Солнечной системе — Юпитером. Спустя десять лет ученые предположили, что в действительности источником волн стали заряженные частицы на спутнике газового гиганта — Ганимеде.
В январе космический аппарат «Юнона» отправил на Землю запись, которая рассказала о планете куда больше, чем запись излучения, исходящего из окрестностей газового гиганта 12-летней давности.
«Галилео» — автоматический космический аппарат НАСА, созданный для исследования Юпитера и его спутников. Аппарат был запущен в 1989 году. В 1995 году он вышел на орбиту Юпитера и проработал до 2003 года. Это был первый аппарат, вышедший на орбиту Юпитера, изучавший планету длительное время и сбросивший в ее атмосферу спускаемый зонд. Станция передала свыше 30 Гб информации, включая 14 тыс. изображений планеты и спутников, а также уникальную информацию об атмосфере Юпитера. Название станции связано с тем, что именно Галилео Галилей открыл четыре спутника Юпитера в 1610 году.
«Юнона», от англ. Juno, Jupiter Polar Orbiter — автоматическая межпланетная станция НАСА, запущенная 5 августа 2011 года для исследования Юпитера. Это второй проект в рамках программы «Новые рубежи». Выход аппарата на полярную орбиту газового гиганта произошел 5 июля 2016 года. Целью миссии является изучение гравитационного и магнитного полей планеты, а также проверка гипотезы о наличии у Юпитера твердого ядра. Кроме того, аппарат должен заняться исследованием атмосферы планеты — определением содержания в ней воды и аммиака, а также построением карты ветров, которые могут достигать скорости в 618 км/час. «Юнона» продолжит изучение районов южного и северного полюсов Юпитера, начатое АМС «Пионер-11» в 1974 году и АМС «Кассини» в 2000 году.
Зонд записал звук, который рождается в точке соприкосновения магнитных полей Юпитера и Солнца. Это область в пространстве, где заряженные частицы подлетают к Юпитеру на огромных скоростях и начинают замедляться, образуя зону повышенной плотности. Исследовательский аппарат записал звук перехода, который длился около двух часов.
Другим звуком сопровождалось прохождение гелиево-водородной плазмы или солнечного ветра через магнитное поле планеты, при котором частота и высота звука зависели от плотности плазмы.
Звук второй по размерам планеты в Солнечной системе, Сатурна, в 1977 году записал зонд «Кассини», находясь в 377 млн км от газового гиганта. Источником радиоволн ученые назвали области полярного сияния на полюсах планеты, пик которого приходится на период перед рассветом и за несколько минут до полуночи. Энерговыделения при этом варьируются от 7 до 124 ГВт, а полярное сияние длится от нескольких минут до часа. Для сравнения, энерговыделение четырех атомных блоков Чернобыльской АЭС составляло 4 ГВт.
Исходящее от Сатурна излучение отличается от радиоволн Юпитера сложной структурой — большим количеством высоких и низких тонов, а также частым изменением частоты звучания.
Звук пролетающей кометы
14 февраля 2011 года космический аппарат НАСА Stardust записал звук пролетающей кометы Tempel 1. Прибор, установленный на спутнике, записал звук ударов о корпус частиц пыли и небольших камней, в потоке которых летела комета. На аудиозаписи слышны 5 тыс. ударов, зафиксированных за 11 минут — столько времени аппарат и комета находились максимально близко друг к другу.
Спустя 3,5 года года аппарат «Филы» с зонда «Розетта» высадился на поверхность кометы Чурюмова — Герасименко и с помощью прибора Rosetta Plasma Consortium (RPC) записал колебания электромагнитных волн в магнитном поле кометы. Комета звучит на частоте 40–50 мГц, а человеческое ухо не способно его воспринять. Чтобы сделать излучение слышимым, исследователи с помощью магнитометра транспонировали эти данные в звук, увеличив их частоту в 10 тыс. раз. В результате получилось странное чириканье и щелчки.
Спустя год астрофизикам удалось понять, почему комета издает такой звук: дело в потоке заряженных частиц (плазмы), которые бомбардируют комету и вызывают необычные вибрации при прохождении через ее магнитное поле.
Возможно, самый жуткий звук из всех, что можно услышать в космосе, — шум черной дыры. Его воссоздал профессор Массачусетского технического университета Эдвард Морган на основе рентгеновского излучения, исходящего от самой большой черной дыры в Млечном пути — GRS 1915+105 в созвездии Орла.
При транспонировании излучения этого микроквазара в звук получается нота си-бемоль, но находится она на 57 октав ниже обычного звучания и на 47 октав ниже уровня, который может воспринимать человек.
В космосе множество загадок, и многие из них связаны с излучением. Например, астрофизики до сих пор не могут понять природу радиовспышек — ярких импульсов радиоизлучения длительностью в несколько миллисекунд.
Они были зафиксированы впервые в 2007 году группой Дункана Лоримера на австралийском телескопе Паркс. При этом наука не могла точно ответить на вопрос, откуда эти сигналы поступают и что является их источником. Ученые выдвигали множество теорий происхождения этого явления — от излучения сильно намагниченными нейтронными звездами в результате взрыва в сверхмассивных черных дырах до сигналов далеких цивилизаций. Однако до сих пор доподлинно известно лишь то, что они не с Земли.
Вероятно, перевод излучения в звук поможет ответить на некоторые вопросы о происхождении этого и многих других явлений, а мы услышим еще более странные и таинственные звуки Вселенной.
Какие виды электромагнитных волн излучают небесные тела
Вся информация от звезд, туманностей, галактик и других астрономических объектов поступает в виде электромагнитного излучения.
Длины электромагнитных волн радиодиапазона заключены в пределах от 10 км до 0,001 м (1 мм). Диапазон от 1 мм до видимого излучения (т. е. 760 нм) называется инфракрасным диапазоном . Электромагнитные волны с длиной волны короче 390 нм называются ультрафиолетовыми волнами . Наконец, в самой коротковолновой части спектра лежит излучение рентгеновского и гамма-диапазона .
Всякое излучение можно рассматривать как поток квантов – фотонов, распространяющихся со скоростью света , равной = 299 792 458 м/с. Скорость света связана с длиной и частотой волны соотношением
Энергию квантов света можно найти, зная его частоту: = , где – постоянная Планка , равная ? 6,626•10 –34 Дж•с. Энергия квантов измеряется в джоулях или электрон-вольтах: 1 эВ = 1,6•10 –19 Дж. Кванту с энергией в 1 эВ соответствует длина волны = 1240 нм.
Глаз человека воспринимает излучение, длина волны которого находится в промежутке от = 390 нм (фиолетовый свет) до = 760 нм (красный свет). Это – видимый диапазон .
Излучение в видимой области спектра играет основную роль в жизни человека и хорошо пропускается земной атмосферой. Во многих других участках спектра земная атмосфера поглощает излучение. Видимая область спектра регистрируется оптическими телескопами, а также невооруженным глазом. Глаз – это естественный измерительный прибор, регистрирующий электромагнитное излучение в видимой области спектра.
Площадь зрачка может изменяться в 100 раз, тем самым регулируя поток света, поступающего на сетчатку в дневное время. Днем освещенность от Солнца составляет 10 5 лк; в то время как ночью звездное небо создает освещенность всего в 10 –5 лк. Поэтому для того, чтобы видеть в темноте, регистрировать излучение должны не колбочки, а палочки – другие элементы глаза. Максимальная чувствительность глаза при дневном зрении приходится на длину волны = 555 нм и соответствует желто-зеленому цвету. Ночью она сдвигается в коротковолновую часть спектра = 513 нм. Лабораторные исследования показали, что ночью глаз может зарегистрировать изменение звездной величины на 0,1 m .
В XVII веке появился первый телескоп, а в XX веке – фотоэлектронные умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразователи (ЭОП), приборы с зарядовой связью (ПЗС). Системы ПЗС являются самыми чувствительными и могут регистрировать отдельные кванты света, накапливая информацию о них в особых ячейках – пикселях. В настоящее время разработаны новые виды приборов с зарядовой связью, в которых дрожание атмосферы компенсируется смещением накопленного заряда в ту группу пикселов, в которой в данное время регистрируется излучение. Такие системы ПЗС назвали системами ПЗС с перпендикулярным переносом. Подобные системы позволяют улучшить качество изображения в полтора раза.
В радиодиапазоне через атмосферу Земли проникают радиоволны с длиной волны от 1 до 4 мм и от 8 до 20 м. Длины электромагнитных волн радиодиапазона заключены в пределах от 10 км до 1 мм. Существование радиоволн было предсказано Максвеллом в 1873 году, а первый радиотелескоп появился в 1929 году.
Регистрация инфракрасного излучения впервые была проведена в 1800 году Вильямом Гершелем. Помещая термометр в различные области спектра, полученного с помощью призмы, он зафиксировал нагрев того термометра, который располагался вне видимой области, рядом с красным цветом. Именно Гершель назвал это невидимое излучение инфракрасным излучением, то есть находящимися дальше красных лучей. Земная атмосфера непрозрачна для большей части инфракрасного излучения. В XIX веке для регистрации инфракрасного излучения пользовались термопарой. На ее концах при освещении инфракрасным излучением возникает разность потенциалов, которую можно измерить. В более позднее время детектором инфракрасного излучения становятся полупроводниковые болометры, состоящие из полосок полупроводников. Сопротивление полупроводников при освещении инфракрасным излучением меняется, это регистрируется обычным образом.
Инфракрасное излучение интенсивно задерживается земной атмосферой, поэтому инфракрасные телескопы поднимают на самолетах и аэростатах, располагают в открытом космосе. В 1983 году был запущен инфракрасный телескоп IRAS, в котором приемная аппаратура охлаждалась жидким гелием.
Современные телескопы сразу строятся как для наблюдений в видимой области спектра, так и для инфракрасных наблюдений.
Регистрация квантов ультрафиолетового излучения производится с помощью фотоэлектрических приемников излучения, вторично-электронных умножителей. Регистрация ультрафиолетового излучения с длиной волны, меньшей 160 нм, производится специальными счетчиками, аналогичными счетчикам Гейгера–Мюллера, известным из школьного курса физики.
Ультрафиолетовые лучи – это часть электромагнитного спектра, соответствующая длинам волн от 390 до 10 нм. Они практически не пропускаются земной атмосферой, поэтому всю регистрирующую аппаратуру приходится выносить в космос.
В 1978 году был запущен на орбиту ультрафиолетовый телескоп IUE (International Ultraviolet Explorer), который проработал 19 лет. Информацией, полученной в ходе его работы, воспользовалось около 3000 ученых из 25 стран мира. В 1985 году был запущен специализированный спутник EUVE – Extreme Ultraviolet Explorer, который специализировался в диапазоне 10–100 нм.
Рентгеновское излучение было открыто в 1895 году Рентгеном. Оно беспрепятственно проходит сквозь плотную бумагу и ткани человеческого тела. Это его свойство сейчас широко используется в медицине и технике.
А вот земная атмосфера является прекрасным щитом для рентгеновского излучения. Для регистрации рентгеновского излучения Солнца необходимо поднимать приборы на высоту 100 км. Впервые солнечное излучение в рентгеновском диапазоне было зарегистрировано в 1948 году.
Рентгеновское излучение регистрируется специальными счетчиками, аналогичными счетчику Гейгера–Мюллера. В 1971 году был запущен (для наблюдения в рентгеновском диапазоне) спутник «Ухуру», затем космические рентгеновские обсерватории «Эйнштейн», ROSAT. В 1999 году была запущена рентгеновская обсерватория «Чандра».
Самыми первыми были зарегистрированы источник Sco X-1 в созвездии Скорпиона, Сyg X-1 в созвездии Лебедя, затем были открыты вспышечные рентгеновские источники – барстеры, рентгеновские пульсары. Среди рентгеновских источников излучения – тесные двойные системы, остатки вспышек сверхновых, например, Крабовидная туманность.
Гамма-излучение возникает при столкновениях энергичных частиц, испускается возбужденным атомом, при процессах аннигиляции частиц. Источниками гамма-излучения могут быть частицы сверхвысоких энергий. Регистрируется оно детекторами гамма-излучения, сцинциляционными счетчиками и черенковскими счетчиками. Земная атмосфера не пропускает космическое гамма-излучение, поэтому первые результаты исследований были получены после запусков космических станций.
В 1991 году с помощью российско-французского прибора «СИГМА», установленного на спутнике «Гранат», в 120 пк от центра Галактики был обнаружен источник аннигиляционной линии 511 кэВ, который назвали «Великим аннигилятором». Гамма-кванты такой энергии образуются при аннигиляции электронов и позитронов.
Гамма-излучение зарегистрировано от Солнца, активных ядер галактик, квазаров. Но самое поразительное открытие в гамма-астрономии сделано при регистрации гамма-всплесков.
Уже в 70-х годах стало понятно, что всплески гамма-излучения с равной вероятностью приходят с любого направления, то есть распределены изотропно. Ничего подобного в нашей Галактике быть не может. Но в нашей Вселенной есть один практически идеально изотропный объект – сама Вселенная! Именно это заставило многих ученых отказаться от галактической модели гамма-всплесков. В настоящее время считается, что источники гамма-всплесков удалены на расстояния порядка 12–15 миллиардов световых лет. Для объяснения наблюдаемой яркости всплесков приходится считать, что их источники – самые мощные объекты Вселенной.