Szférikus csillagászat

A gömbcsillagászat vagy helyzetcsillagászat a csillagászat  azon ága , amely azt vizsgálja, hogyan lehet meghatározni az égi szférán lévő objektumok helyzetét, ha azokat a Földről egy bizonyos időpontban és egy bizonyos helyen figyelik meg . A gömbcsillagászat a gömbgeometria és az asztrometriai mérések matematikai módszereit alkalmazza , és szorosan kapcsolódik a megfigyelések csökkentésének problémájához.

Ez a csillagászat legrégebbi ága. Az első ezzel kapcsolatos ismeretek az ókori világból származnak . Az égitestek megfigyelése számos vallás és asztrológia , valamint az időmérés és a navigáció számára fontos volt és marad is . A szférikus csillagászat részben megoldja a problémát, az asztrometria inverz problémáját: lehetővé teszi az égitestek helyzetének előrejelzését egy adott időpontban egy adott helyen, például a Naprendszer mozgási modelljei alapján efemeridek kiszámításával.

A szférikus csillagászat tárgya és tartalma

Míg az asztrometria a gyakorlatban csillagászati ​​objektumok helyzetének és relatív mozgásának mérését valósítja meg, addig a gömbcsillagászat, mint elméletibb, a matematikához szorosan kapcsolódó tudományág az égi koordinátarendszerek és időreferenciarendszerek felállításával , valamint a köztük lévő átmenetekkel foglalkozik. Valójában a gömbcsillagászat fő feladata a megfigyelések redukciója, vagyis az égitestek koordinátáinak és sebességeinek kiszámítása egy adott koordináta-rendszerben egy adott időpontban, megfigyeléseik alapján [1] .

A gömbcsillagászat alapfogalma az égi gömb , vagyis a megfigyelő középpontjában álló, képzeletbeli, tetszőleges sugarú gömb, amelyre a csillagászati ​​objektumok látható helyzetét vetítik, és amelyre égi koordinátarendszereket vezetnek be, amelyek közül a leggyakrabban használt. a következők: vízszintes, két egyenlítői, ekliptikus és galaktikus. A köztük lévő átmeneteket a gömbi trigonometria képletei szerint hajtják végre [1] .

A megfigyelések során az égitestek látható koordinátáit az égi szférán a testek térbeli megfelelő mozgása mellett számos tényező befolyásolja: precesszió , nutáció , fénytörés , aberráció és parallaktikus elmozdulás . Az első két ok az égi koordinátarendszerek globális elmozdulásához vezet, az utolsó három pedig a klasszikus fizikában ismert ok, valamint a fény gravitációs tér általi eltérülése, amelyet a relativisztikus fizika jósolt (és a napszélplazma fénytörése , ami elengedhetetlen rádióhullámok), a látható koordináták kismértékű kváziperiodikus változásához vezetnek az idő múlásával, amelyek megszüntetése (redukciója) a testek koordinátáit egy topocentrikus koordinátarendszerhez vezeti, amely a megfigyelőhöz és a tengelyek irányához kapcsolódik a megfigyelés időpontjában. ebből a megfigyelőnek a Föld felszínén elfoglalt helyzete adja meg [1] .

A következő lépés a Föld koordinátarendszerére való redukció, amely a Föld egészéhez kapcsolódik, majd onnan a precesszió és a nutáció figyelembevételével az inerciális koordinátarendszerig, amelyhez ismerni kell a Föld koordináta-rendszerének paramétereit. ábra és forgatás. Ebben a gömbcsillagászat egyesül a geodéziával , a térképészettel és a gravimetriával . Emellett a megfigyelési idő is az inerciarendszerre redukálódik, amihez a Föld Naprendszerbeli mozgásának paramétereinek ismeretére és az általános relativitáselmélet korrekcióinak figyelembevételére van szükség [1] .

Elemek

A gömbcsillagászat alapelemei a koordinátarendszerek és az idő. Az égitestek helyzetének jelzésére az egyenlítői koordinátarendszert használják, amely a Föld egyenlítőjének az égi szférára való vetületén alapul . Egy objektum helyzetét a jobbra emelkedés (α) és a deklináció (δ) határozza meg. Ezen adatok, a szélesség és a helyi idő alapján meghatározhatja az objektum helyzetét a vízszintes koordinátarendszerben , azaz magasságát és irányszögét [1] .

A csillagos égbolt objektumainak koordinátái, mint például a csillagok és galaxisok, katalógusokba kerülnek , amelyek megadják az objektum helyzetét egy adott időpontban, általában egy évben, amelyet a katalógus korszakának nevezünk. A referenciakatalógusok a megfigyelések mérésére és csökkentésére szolgáló eljárásokkal együtt valósítják meg a gyakorlatban az égi koordináta-rendszereket. Az égitestek precessziójának , nutációjának és megfelelő mozgásának együttes hatása azonban oda vezet, hogy koordinátáik idővel valamelyest változnak. A Föld mozgásában bekövetkezett ilyen változások hatását ellensúlyozzák a katalógusok új kiadásainak időszakos megjelenése [1] .

A Nap és a bolygók helyzetének meghatározásához csillagászati ​​efemerideket használnak (értéktáblázat, amely lehetővé teszi az égitestek helyzetének meghatározását egy bizonyos időpontban, az égi mechanika módszereivel kiszámítva ) [1] .

A szférikus csillagászat alkalmazásai

A szférikus csillagászat az általános csillagászat alapja, és számos alkalmazási területe van. A fundamentális csillagászatban a redukált asztrometriai megfigyelések feldolgozása eredményeként meghatározzák az égi koordináta-rendszerek és időskálák paramétereit, valamint finomítják a redukciós paramétereket és összeállítják a csillagászati ​​állandók rendszereit. Az alkalmazott csillagászatban a gömbcsillagászatot rutinszerűen alkalmazzák a navigációs problémák megoldására , vagyis a megfigyelő koordinátáinak meghatározására, mind a Földön, mind az űrben [1] .

Történelem

A csillagászat abból az igényből született, hogy meg kell határozni bizonyos – gazdasági és vallási jelentőségű – események pillanatait. A mezőgazdasághoz szükség volt egy naptár felállítására, ezért már Mezopotámia és Egyiptom ősi lakosai is meglehetősen pontosan határozták meg az év hosszát, és megtanulták azt is megjósolni a nap- és holdfogyatkozások hosszú láncolataiból . Az ókori babiloniak hexadecimális számrendszerét még ma is használják az időszámlálásban [2] .

A további haladás a filozófia és a matematika ókori görögországi virágzásához kapcsolódik. Az első ókori görög csillagász , a milétusi Thalész (Kr. e. 7. vége-i. e. 6. század első fele) - a legenda szerint a " hét bölcs " egyike, a napéjegyenlőségek és napfordulók időpontját határozta meg, az év hosszát 365 nap, és rájöttem, hogy a hold nem világít, és így tovább. Ugyanakkor a Földet lapos korongnak tartotta, és nem értette a fogyatkozások okait [2] .

A napfogyatkozások helyesen tudták megmagyarázni Anaxagorászt Klazomenből (kb. 500-kb. i.e. 428), a Föld gömbölyűségének hipotézisét pedig a pitagoreusok fogalmazták meg , ők birtokolják az égi szférák modelljét is, amelyből ez a fogalom megmaradt. modern csillagászat. A Kr.e. V. század második felében. e. Meton és Euctemon athéni csillagászok a napéjegyenlőségek és napfordulók megfigyelésével fél óra pontossággal meghatározták a trópusi év időtartamát, és megállapították az évszakok egyenlőtlenségét, vagyis a Nap egyenetlen mozgását az ekliptika mentén [2] .

Az első szigorú matematikai csillagászati ​​elméletek kidolgozása Cnidus Eudoxusához tartozik ( kb. ie 400-355). Ideális alakzatként egy gömbből és egy körből kiindulva olyan rendszert dolgozott ki, amellyel a Nap és a bolygók látszólagos mozgását egyenletes gömbforgásokra bontja, magával rántva más gömböket is, amelyek közül az utolsóhoz egy égitest kapcsolódik az egyenlítő. Modellében 27 ilyen szféra szerepelt, Kalipuszban  - 34, Arisztotelész (Kr. e. 384-322) pedig, akinek tekintélyének köszönhetően ez a modell uralkodóvá vált, már 56 szférának számított [2] .

Pontuszi Heraklidész felvetette, hogy az állócsillagok legkülső szférájának látszólagos forgását valójában a Föld forgása okozza, és a Merkúr és a Vénusz fényességében bekövetkezett változásokat, amelyek az Eudoxus-sémában problémát jelentenek, az okozza. forradalom a Nap körül, és nem a Föld mint központ. Szamoszi Arisztarchosz (Kr. e. 310-230) megfigyelések alapján kimutatta, hogy a Nap sokkal távolabb van, mint a Hold, és ennek alapján fejlesztette ki az első heliocentrikus modellt, amely a csillagok látható parallaxisának hiányát is azzal magyarázza, hogy a csillagok nagyon nagy távolságra vannak a Föld [2] .

A csillagászok-megfigyelők Aristillus és Timocharis (Kr. e. 3. század) úttörők voltak a csillagok helyzetének meghatározásában, és összeállították az első csillagkatalógust az egyenlítői rendszerben, megtalálva a csillagok megfelelő felemelkedését és deklinációját. A cirénei Eratoszthenész (Kr. e. 276-194) a Föld sugarát 50 km-es pontossággal, az ekliptika egyenlítőhöz viszonyított dőlését pedig 8 ívmásodperces pontossággal határozta meg [2] .

Hipparkhosz (kb. ie 180-125) rendszerezte és általánosította az összes elődöt. Miután megmérte a csillagok helyzetét, és összeállított egy katalógust, a hosszúságok változásait találta Aristillus és Timorakhis adataihoz képest, és arra a következtetésre jutott, hogy precesszió van, vagyis a napéjegyenlőségek mozgása a ekliptika, amely lehetővé tette számára az év hosszának tisztázását. Ezen túlmenően a Nap ekliptika menti mozgásának leírására bevezette az epiciklusok és különcök rendszerét, és levezette az "első egyenlőtlenséget", a valódi és az átlagos Nap középpontjának helyzetének különbségét, amelyet ma az úgynevezett " időegyenlet " [2] .

Továbbá szünet következett a csillagászat fejlődésében, amely az i.sz. 1. század végén ért véget. e. az alexandriai Menelaosz görög csillagász gömbi trigonometriával foglalkozó munkái , amelyek eredményeit aztán Ptolemaiosz (kb. 100-165 év) felhasználta, akinek 13 Almagest -könyve a csillagászati ​​ismeretek fő forrásává vált a következő ezerötszáz évre Eurázsia-szerte . Ptolemaiosz csillagkatalógusát ezt követően többször frissítették: al-Battani (880), al-Sufi (964), Alphonse Tables (1252), Ulugbek (1437), ami lehetővé tette a precessziós állandó és az ekliptika mértékegységekre való dőlésének tisztázását. percek ívei [2] .

Kopernikusz 1543-ban publikált heliocentrikus elmélete volt a következő nagy lépés, amelynek jelentősége csak később, Tycho Brahe (1546-1601) munkája után jött rá, aki a csillagok és bolygók megfigyelésének legismertebb pontosságát érte el. szabad szemmel, és összeállított egy új katalógust, amely 777 csillagot tartalmaz, félperces ív alatti pontossággal. A Mars megfigyelései lehetővé tették Keplernek , hogy levezetje a bolygómozgás törvényeit , ami végül megerősítette a heliocentrikus rendszer prioritását [2] .

John Napier (1550–1617), a logaritmus feltalálója szintén problémákat dolgozott ki a gömbháromszögek megoldására, megtalálva Napier analógiáit . A navigáció rohamos fejlődése sürgetővé tette az idő pontos meghatározását, amelyhez Huygens először az ingát (1656), majd a rugós órákat (1675) találta fel. Az obszervatóriumokban az ilyen órák az idő tárolására használhatók, de a hosszúsági fok meghatározása a nyílt tengeren továbbra is nehéz probléma volt - az óra pontossága a hajó mozgása és a hőmérséklet változásai között teljesen elégtelen volt. A Hold mozgásának számított táblázatai és csillagkatalógusok szolgáltak palliatívumként, amelyek alapján a hosszúságot meg lehetett határozni, például az Euler -táblázatok fok körüli pontosságot adtak. Egy viszonylag stabil rugós órát - egy kronométert  - 1735-ben talált fel John Harrison , de fia, William csak 1761-ben fejlesztette olyan mértékben, hogy Jamaicába utazva 1/3 fokos hosszúsági mérési pontosságot ért el [2] .

A 18. század végén már több tízezer mechanikus órát gyártottak, ezek mechanizmusa rohamosan fejlődött, pontosságuk nőtt. A kereskedelem és az emberek mozgásának globalizálódása megkövetelte a közös idő bevezetését, és 1884-ben egy washingtoni nemzetközi konferencián elfogadták a szabványidőt , amelynek kiindulópontja a greenwichi idő volt  - a kiválasztott középkörön mért átlagos szoláris idő. , a greenwichi meridián . Ugyanitt került meghatározásra a dátumvonal [2] .

A távcső 17. századi Galilei általi feltalálása és Newton általi továbbfejlesztése a csillagászati ​​megfigyelések pontosságának gyors fejlődéséhez vezetett. 1725-ben az angol királyi csillagász , James Bradley megfigyelésekből származtatta a fény aberrációját , amely a csillagok látszólagos helyzetének időszakos változásában nyilvánul meg a Föld sebességének irányának és nagyságának változása miatt. 1837-ben Friedrich Besselnek először sikerült megmérnie egy csillag éves parallaxisát - a 61 Cygnus csillag relatív elmozdulását a legközelebbiekhez képest a megfigyelő helyzetének változása miatt a Földdel együtt az űrben. [2] .

A Hold és a Naprendszer mozgáselméletének kidolgozása az egyetemes gravitáció Newton-törvényén alapulva az egész 18. és 19. századot vette igénybe; Euler , Clairaut , d'Alembert , Lagrange és Laplace foglalkozott ezzel . A módszerek pontossága és ereje folyamatosan javult Newton óta, aki minőségileg megmagyarázta a Föld centrifugális erő miatti meglapultságát, és rámutatott, hogy a Hold, a Nap és a bolygók gravitációs hatása az egyenlítői púpra okozza a precessziót. Ennek a jelenségnek a kvantitatív elméletét 1749-ben adta meg d'Alembert , aki a Bradley által 1745-ben felfedezett nutációt is ezzel a hatással magyarázta. Laplace az óceánok és a légkör, valamint az árapályok figyelembevételével finomította ezt az elméletet, bevezette a potenciál fogalmát is , amely később alapvetővé vált a fizikában, és feltevést fogalmazott meg a pólusok mozgásáról és a pólusok egyenetlen forgásáról. a Föld. Clairaut a Föld alakjának kérdésével foglalkozott, és megtalálta, hogyan határozható meg annak összenyomódása gravimetriás mérésekből [2] .

A 19. század vége felé a megfigyelések pontosságának előrehaladása lehetővé tette a pólusok mozgásának kimutatását, amelyeknek körülbelül 1,2 éves oszcillációját Seth Chandler találta meg 1891-ben, és az ő nevét viseli. A 19. század végére elkészült az abszolút szilárd Föld forgásának elmélete, és Oppolzer megkapta a precessziót és a nutációt leíró képleteket. Simon Newcomb azonban , aki a precessziós paraméterek modern rendszerét vezette be, 1892-ben felvetette azt az elképzelést, hogy a Chandler-ingadozást a Föld rugalmasságának a szilárd Föld pólusának szabad Euler-oszcillációira gyakorolt ​​hatása okozza. Így kiderült, hogy a pólus mozgását elméletileg nem lehet megkapni a Föld szerkezetének pontos ismerete nélkül, ami arra kényszerít bennünket, hogy ezt a mozgást rendszeres mérésekkel határozzuk meg. Ebből a célból hozták létre 1898-ban a Nemzetközi Szélességi Szolgálatot , amelynek funkciói azután a Nemzetközi Földforgási Szolgálathoz kerültek [2] .

A Hold és a Nap megfigyelései, beleértve az ókori megfigyeléseket is, összehasonlítva a Naprendszer 19. század végi és 20. század eleji pontos elméleteivel, amelyeket Newcomb, Brown és de Sitter dolgozott ki, egy világi felfedezéshez vezettek. a Föld forgásának lassulása . Newcomb elmélete a Nap mozgásáról olyan pontos volt, hogy ez lett az alapja az első dinamikus időskála létrehozásának – az efemerisz időskála és a második efemerisz definíciójának . Csak a 20. század közepére vált az órák pontossága - az atomfrekvencia-szabványok  - jobbá, mint az efemeriszidőhöz képest, és az atomi skálára való átállás lehetővé tette a Föld forgási egyenetlenségének közvetlen mérését [2] .

A megfigyeléstechnika 20. század végi új fejlesztése - a nagyon hosszú bázisú rádióinterferometria , lézeres hatótávolság és egyéb módszerek - lehetővé tette az asztrometriai mérések pontosságának és a Föld alakjának milliméteres pontosságú továbbfejlesztését, arra kényszerítve figyelembe kell venni az elektromágneses jelek eltérésének és késleltetésének relativisztikus hatásait a gravitációs terekben, amelyet a Nemzetközi Csillagászati ​​Unió 2000-es határozatai hivatalosan rögzítettek . A nagy pontosságú technológia alkalmazása lehetővé tette a Föld gravitációs mezőjének feltérképezését, a gravitációs tér órasebességre gyakorolt ​​hatásának mérését, valamint a GPS (Global Positioning System) és a GLONASS (GLOBAL ) globális műholdas navigációs rendszerek gyakorlatba ültetését. NAVIGÁCIÓS Sputnik rendszer). Az új referenciakatalógusok, amelyekhez viszonyítva határozzák meg az égi koordinátákat, 0,1 ezredmásodpercnyi ívpontosságot értek el a rádióban és néhány ezredmásodpercnyit az optikai tartományban [3] [2] .

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Zharov, 2006 , 1.1. A gömbcsillagászat által megoldott fő feladatok..
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Zharov, 2006 , 1.2. Rövid történelmi áttekintés.
  3. ↑ Zharov, 2006 , 1.1. A gömbcsillagászat által megoldott főbb feladatok.

Irodalom

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban