A megfigyelő csillagászat a csillagászat azon ága , amely az égi objektumok megfigyelési adatainak beszerzésével foglalkozik teleszkópok és más csillagászati eszközök segítségével.
Tudományként a csillagászatot gyakorlatilag megfosztják az Univerzum tárgyaival végzett kísérletek lehetőségétől, amit némileg kompenzál a csillagászati jelenségek nagyszámú példájának megfigyelésének és tanulmányozásának képessége. Az ilyen megfigyelések lehetővé teszik például bizonyos törvényszerűségek nyomon követését a tárgyak által mutatott tulajdonságokban. A bizonyos tulajdonságokat mutató közeli objektumok (például változócsillagok ) vizsgálatának eredményei kiterjeszthetők a távolabbi, hasonló tulajdonságokkal rendelkező objektumokra is: például a fényesség pulzációs periódustól való függése alapján a cefeidák esetében a távolságok más galaxisoktól is meghatározhatók. becsült .
Galileo Galilei távcső segítségével figyelte meg az égi objektumokat, és rögzítette a megfigyelések eredményeit. Azóta a megfigyelő csillagászat jelentősen fejlődött, és a teleszkópok létrehozásának technikája is javult.
A megfigyelő csillagászat hagyományos szakaszokra osztása az elektromágneses spektrum tartományokra való felosztásához kapcsolódik:
Amellett, hogy az elektromágneses sugárzás regisztrálásakor adatokat szereznek, a modern csillagászok neutrínókat , kozmikus sugarakat vagy gravitációs hullámokat is megfigyelhetnek .
A földi obszervatóriumok optikai és rádiócsillagászathoz használhatók, mivel a Föld légköre viszonylag átlátszó ezeken a hullámhosszokon. Az obszervatóriumok jellemzően nagy magasságban helyezkednek el, hogy csökkentsék a légkörből való elnyelést és torzulást. Néhány infravörös hullámhosszt jelentősen elnyelnek a vízmolekulák, ezért az obszervatóriumokat gyakran száraz helyen, nagy magasságban vagy űrben építik fel.
A röntgen-, gamma- és ultraibolya csillagászat, valamint (néhány átlátszósági ablak kivételével) csillagászat által használt hullámhossz-tartományban a távoli infravörös tartományban a légkör átlátszatlan, ezért a megfigyeléseket elsősorban léggömbökben végezzük. vagy űrobszervatóriumok. Az erős gamma-sugarakat az általuk keltett légzáporok érzékelik ; A kozmikus sugarak tanulmányozása a csillagászat gyorsan fejlődő területe.
A megfigyelőcsillagászat fennállásának nagy részében szinte minden megfigyelést a spektrum látható tartományában végeztek optikai távcsövek segítségével. Annak ellenére, hogy a Föld légköre viszonylag átlátszó az elektromágneses spektrum ezen részére, a kapott adatok minősége a láthatóság és a levegő átlátszóságának körülményeitől függ; A legtöbb megfigyelés éjszaka történik. A látási viszonyok a levegő turbulenciájától és hőáramától függenek. Azok a megfigyelési pontok, ahol az eget gyakran felhők borítják, vagy nagy a turbulencia a légkörben, korlátozottak az objektumokról készült képek felbontása. A telihold jelenléte az égen további megvilágítást is teremt, és megnehezíti a halvány tárgyak megfigyelését.
Megfigyelési célokra az optikai teleszkóp legjobb helye a világűr. Az űrben a teleszkópok légkörmentes megfigyeléseket végezhetnek. A teleszkópok világűrbe indítása azonban továbbra is költséges eljárás. Az űr után a második legjobb hely a teleszkópok számára néhány hegycsúcs, amelyekben sok a felhőtlen nap, és jó a légköri tulajdonsága (láthatósági viszonyok). Mauna Kea és La Palma szigetének hegycsúcsai rendelkeznek ilyen tulajdonságokkal; kisebb mértékben birtokolják a kontinenseken található Chajnantor-fennsík csillagvizsgálójának, a Paranali Csillagvizsgálónak , a Chilében található Cerro Tololo -nak és La Silla -nak a pontjait . A legjobb teleszkópok közül néhányat ezeken a pontokon szereltek fel.
Az éjszakai égbolt sötétségi szintje fontos mutató. Ahogy a városok mérete és a lakosság fokozatosan növekszik, az égbolt becsillanása is növekszik. A mesterséges világítás szórt háttérvilágítást hoz létre, amely megnehezíti a halvány tárgyak megfigyelését. Egyes helyeken, például Arizonában és az Egyesült Királyságban kampányokat indítottak a fényszennyezés csökkentésére . Az utcai lámpák körüli árnyékolók használata nem csak a talajt érő fény mennyiségét növeli, hanem az ég felé irányuló sugárzás mennyiségét is csökkenti.
A légkör hatása nagymértékben ronthatja a teleszkóp felbontását. További képelmosódás-korrekció nélkül a 15-20 cm-nél nagyobb rekesznyílású teleszkópok nem érik el az elméleti felbontási határt a látható tartományban. Így a nagy apertúrájú teleszkópok használatának eredeti előnye a nagyobb sugárzás észlelése volt, ami lehetővé tette a halvány tárgyak megfigyelését. A felbontás javítását adaptív optika , foltos interferometria , apertúraszintézis és teleszkópok térbeli elhelyezése biztosítja.
Különféle módszerek léteznek az objektumok megfigyelésére. A Földhöz és a Naphoz közeli objektumok megfigyelhetők és helyzetük mérhető a távolabbi objektumok hátterében. Hasonló megfigyeléseket alkalmaztak a bolygópályák modelljének megalkotására, valamint relatív tömegük és gravitációs perturbációik meghatározására. Az ilyen jellegű megfigyelésekből az Uránusz, a Neptunusz és a Plútó bolygókat fedezték fel. A Merkúr pályáján a Vulkán bolygó létezését is feltételezték , de a Merkúr pályájának precesszióját az általános relativitáselmélet keretein belül magyarázták .
Amellett, hogy az Univerzumnak a spektrum optikai részében történő tanulmányozását végzik, a csillagászok az elektromágneses sugárzási spektrum számos más tartományában is megfigyelhetnek objektumokat. Az első, a spektrum optikai részén kívüli megfigyeléseket a Nap tanulmányozása során végezték.
A rádiósugárzás felfedezése után a rádiócsillagászat a csillagászat új ágaként kezdett fejlődni. A hosszú rádióhullámok sokkal nagyobb gyűjtőfelületet igényeltek a nagy felbontású képalkotáshoz, ami ezt követően az apertúra-fúziós képalkotás interferometriájának kifejlesztéséhez vezetett. A mikrohullámú vevőkészülékek fejlesztése a kozmikus háttérsugárzás felfedezéséhez vezetett .
A rádiócsillagászat tovább bővíti képességeit: az űrműholdakat olyan interferométerek készítésére használják, amelyek alapmérete meghaladja a Föld átmérőjét. Sajnos a rádiósugárzás más célokra való széles körű alkalmazása megnehezíti az égi objektumok gyenge jeleinek vételét. Emiatt a jövőben a rádiócsillagászati megfigyeléseket árnyékolt pontokról kell végezni, például a Holdnak a Földdel ellentétes oldalán.
A 20. század végén a csillagászati technológia rohamos fejlődésen ment keresztül. A nagyméretű optikai teleszkópok létrehozása, az adaptív optika alkalmazása részben csökkentette a kép légkör általi elmosódását. Új teleszkópokat indítottak az űrbe, és megkezdték az infravörös, ultraibolya, röntgen- és gamma-sugarak megfigyelését, valamint a kozmikus sugarak megfigyelését . Az interferométerek rendkívül nagy felbontású képeket készítenek rádió, infravörös és optikai tartományban. A pályán lévő műszerek, mint például a Hubble-teleszkóp , információt szolgáltatnak a halvány égi objektumokról. Az űrműszerek új fejlesztései várhatóan lehetővé teszik a bolygók közvetlen megfigyelését más csillagok körül.
A teleszkópokon kívül más típusú megfigyelő berendezéseket is használnak.
A neutrínócsillagászat a csillagászat azon ága, amelyben a csillagászati objektumok megfigyelését általában a föld alatt található neutrínódetektorok segítségével végzik . A csillagok magreakciói és a szupernóva-robbanások nagyszámú neutrínót hoznak létre, amelyeknek nagyon kis része neutrínóteleszkóppal is megfigyelhető. A neutrínócsillagászat eszközeinek lehetővé kell tenniük az optikai teleszkópokban nem megfigyelhető folyamatokról, például a Nap magjában zajló folyamatokról való információszerzést.
A gravitációs hullámvevők bizonyítékokat rögzíthetnek olyan jelenségekre, mint például a hatalmas objektumok ( neutroncsillagok , fekete lyukak ) ütközései. [3]
A Naprendszer bolygóinak részletes megfigyelésére is használják a robot-űrjárműveket, jelenleg pedig a bolygók tanulmányozása szorosan kapcsolódik a geológiához és a meteorológiához.
Szinte az összes modern megfigyelőcsillagászat kulcsfontosságú eszköze a távcső. Több sugárzás fogadására szolgál, így a halványabb tárgyak láthatóvá válnak, valamint a kép nagyítását, míg a kisebb és távolabbi tárgyak megfigyelését. Az optikai csillagászat céljaira olyan teleszkópokra van szükség, amelyeknek az optikai alkatrészei nagyon pontos felületi formájúak. A felület létrehozásának szokásos követelménye a kívánt alaktól való maximális eltérés, amely nem haladhatja meg a megfigyelt sugárzás hullámhosszának töredékét. Sok modern "teleszkóp" olyan teleszkóp tömbje, amelyek együtt dolgoznak a nagy felbontás eléréséért rekeszszintézis segítségével.
A nagy teleszkópokat speciális tornyokban helyezték el, hogy megvédjék a kedvezőtlen időjárástól és stabilizálják a megfigyelési körülményeket. Például, ha a távcső különböző szélein eltérő a hőmérséklet, a hőtágulás deformálja a távcső optikai szerkezetét, ami befolyásolja a kapott képet. Emiatt a teleszkópkupolák általában fényes fehérek (titán-dioxid) vagy festetlenek. A kupolákat általában napnyugtakor nyitják ki, jóval a megfigyelések megkezdése előtt, hogy a levegő keringhessen a távcső és a környezet hőmérsékletének kiegyenlítése érdekében. A rezgések és elmozdulások hatásának megelőzése érdekében a teleszkóp egy külön oszlopra van felszerelve, amelynek alapja nincs összekötve a kupola és a torony aljával.
Szinte bármilyen megfigyelés elvégzéséhez követni kell egy objektumot, amint az a látható égbolton keresztül mozog. Más szóval, kompenzálni kell a Föld forgását. A számítógéppel vezérelt mozgó mechanizmusok kifejlesztése előtt a probléma szokásos megoldása a teleszkóp egyenlítői felszerelése volt; kis teleszkópokhoz ma is használják. Gyakorlati szempontból ez nem a legjobb megoldás, főleg a távcső átmérőjének és tömegének növekedésével. A legnagyobb egyenlítői távcső az 5,1 m-es Hale teleszkóp ; a 8-10 méter átmérőjű teleszkópok alt-azmuth tartókra vannak felszerelve, és a nagyobb átmérő ellenére fizikailag kisebbek, mint a Hale távcső.
Az amatőr csillagászok olyan eszközöket használnak, mint a Newton -teleszkóp, a fénytörő távcsövek, a Maksutov-teleszkópok .
A fényképezés alkalmazása egy évszázadon át fontos szerepet játszott a megfigyelő csillagászatban, de az elmúlt 30 évben a fényképezést nagyrészt felváltották a sugárzásdetektorok, például a CCD -k és a CMOS chipek. A csillagászat bizonyos ágai, mint például a fotometria és az interferometria, már régóta használnak elektronikus vevőkészülékeket. Az asztrofotózás speciális fényképészeti filmet (vagy fényképészeti emulzióval bevont üveglapot) használ, de olyan hátránya van, mint az alacsony kvantumhatékonyság , körülbelül 3%, és a keskeny sávban lévő CCD kvantumhatékonysága több mint 90% . Szinte minden modern teleszkóp fel van szerelve elektronikus műszerekkel, és sok régebbi távcsövet modern technológiával korszerűsítenek. Egyes területeken nagy felbontásuk miatt ma is használatosak a fotólemezek.
A fotózás előnyeiA fényképezés létrehozása előtt minden csillagászati megfigyelést szemmel rögzítettek. De még a kellően érzékeny emulzió kifejlesztése előtt a csillagászat teljesen áttért a fényképészeti lemezekre, mivel számos jelentős előnnyel rendelkeztek:
A pislogási komparátor az égbolt ugyanazon területéről készült két majdnem azonos fénykép összehasonlítására szolgál, két különböző időpontban. A komparátor váltogatja a két lemez megvilágítását, és minden változás villogó pontot vagy vonást jelent. Hasonló eszközt használtak aszteroidák, üstökösök és változócsillagok keresésében is.
A kettőscsillagok paramétereinek mérésére egy mikrométert használtak , amely pár egyenletesen mozgó szálból állt, amelyek együtt vagy külön-külön is mozoghatnak. Kettőscsillag megfigyelésekor az izzószálak mindegyik komponensre mutatnak, ami lehetővé teszi a komponensek közötti távolság meghatározását.
A spektrográf a megfigyelő csillagászat egyik legfontosabb eszköze. Bizonyos hullámhosszak atomok általi abszorpciója lehetővé teszi a távoli objektumok bizonyos tulajdonságainak tanulmányozását. Hasonló módon fedezték fel a héliumot a Nap emissziós spektrumában, és információkat szereztek távoli csillagokról, galaxisokról és más égitestekről. A Doppler-effektus (különösen a vöröseltolódás ) segít meghatározni a sugárirányú sebességet (és bizonyos esetekben a távolságot) a Földhöz képest.
Az első spektrográfok prizmákat használtak, amelyek a fényt spektrummá terjesztették. Ezután diffrakciós rácsokat hoztak létre , amelyek a prizmákhoz képest csökkentik a fényveszteséget és nagyobb spektrális felbontásúak. A spektrum hosszú expozícióval vehető fel, ami lehetővé teszi a halvány tárgyak spektrumának mérését.
A csillagfotometria 1861 -ben kezdett fejlődni a csillagok színének meghatározására. A csillagok magnitúdóit bizonyos frekvenciatartományokban mérték, ami lehetővé tette a csillag színének és hőmérsékletének meghatározását. 1951-re kifejlesztették a szabványos UBV rendszert .
A CCD-ket használó fotoelektromos fotometriát gyakran használják távcsővel történő megfigyeléskor. Az érzékeny eszközök szinte az egyes fotonok szintjén tudnak információt rögzíteni, és a spektrum olyan tartományaiban működnek, amelyek a szem számára nem hozzáférhetők. Az a lehetőség, hogy kis számú foton regisztrálható egy idő alatt, lehetővé teszi a légkör hatásának korrigálását. Lehetőség van több kép kombinálására is, ami jobb minőségű képet eredményez. Az adaptív optika technológiával kombinálva a teleszkóp felbontási határa elérhető.
A szűrőket egy objektum bizonyos frekvenciákon vagy frekvenciatartományban történő megfigyelésére használják. Egyes szűrőtípusok lehetővé teszik az átviteli tartomány határainak nagyon pontos beállítását: például egy objektum csak a hidrogénatomok emissziós vonalai közelében figyelhető meg. Szűrőket használnak a fényszennyezés hatásainak részleges kompenzálására is. Polarizáló szűrőket használnak a polarizált fény vizsgálatára .
A csillagászok sokféle objektumot figyelnek meg, beleértve a nagy vöröseltolódású galaxisokat , aktív galaktikus atommagokat , mikrohullámú háttérsugárzást, különféle csillagokat és protocsillagokat.
Minden objektumhoz különböző típusú adatokat kaphat. A gömbcsillagászati módszerekkel meghatározott koordináták határozzák meg a forrás helyzetét az égi szférán. A látszólagos magnitúdó azt jelzi, hogy a forrás milyen fényesnek tűnik a Földről nézve. A forrás relatív fényereje a spektrum különböző részein információt nyújt az objektum hőmérsékletéről és fizikai tulajdonságairól. A spektrumok mérése lehetővé teszi a vizsgált tárgy kémiai összetételének megítélését.
Egy csillag parallaktikus elmozdulása a távoli objektumok hátterében felhasználható az objektumok távolságának meghatározására a műszer felbontásának megfelelő határig. A csillag sugárirányú sebessége és helyzetének időbeli változása (a megfelelő mozgás ) lehetővé teszi a Naphoz viszonyított teljes sebesség becslését. A csillag fényerejének változása a légkör instabilitását vagy a csillagot elhomályosító második komponens jelenlétét jelzi. A kettőscsillag pályaparaméterei segítségével meghatározható a rendszer alkotóelemeinek relatív tömege vagy a rendszer össztömege. A spektrális kettőscsillagok a csillag és kísérője spektrumvonalainak Doppler-eltolódásával detektálhatók.
A hasonló tömegű, egy időben és hasonló körülmények között keletkezett csillagok általában hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek. Nagyszámú, közeli rokon csillag megfigyelése (például egy gömbhalmazban ) lehetővé teszi a spektrális osztályok eloszlására vonatkozó adatok beszerzését, amelyek lehetővé teszik a halmaz korának becslését.
A távoli galaxisokat és az aktív galaktikus magokat általában egész objektumként figyelik meg. Bizonyos típusú , ismert fényességű cefeidák és szupernóvák , úgynevezett standard gyertyák megfigyelése más galaxisokban lehetővé teszi az ilyen objektumok távolságának becslését. Az Univerzum tágulása az objektumok spektrumának eltolódásához vezet, melynek nagysága a távolságtól függ, és a galaxis sugárirányú sebességével fejeződik ki. A galaxis távolságának meghatározásához mind a mérete, mind a vöröseltolódás használható. A galaxisok evolúciójának modellezésére nagyszámú galaxis megfigyelését használják.