Физика

«Небесная сфера»

 

Безоблачной ночью, лучше за городом, смотрим на небо, а там – как написал Ломоносов:

 

Открылась бездна звезд полна;

Звездам числа нет, бездне дна.

Как в этой целой бездне звезд ориентироваться? Мы в рамках астрономии ищем закономерности движения небесных тел. Чтобы изучать их движение, нужно договориться, как задавать положение. Иначе как записать и передать другому, что вот эта светящаяся точка была вон там, а оказалась вон там?

Нужна система координат. Здесь удобнее всего будет сферическая система координат, в которой положение задается расстоянием до точки и направлением (то есть углами поворота от некого ориентира). Мы говорим: «Смотри, видишь вон ту яркую звезду? А вон там левее…» – это уже мы задали направление, пока без чисел. Можно четко определиться с ориентиром и измерить углы, то есть как работать с направлениями – понятно (см. рис. 1).

Рис. 1. Пример сферической системы координат

А вот с расстоянием проблема, измерить расстояние до звезды сложно, но как-то ориентироваться на звездном небе все равно нужно. Давайте пока не вдаваться в расстояния до звезд: представим, что они все находятся от нас примерно на одном расстоянии. А из уроков геометрии вы знаете: если множество точек находятся на одинаковом расстоянии от центра, эти точки составляют сферу.

Возьмем сферу, поместим себя в ее центр и будем проецировать небесные тела на эту сферу. Какого радиуса взять сферу? Не важно, любого большого – мы о нем не будем задумываться, мы будем измерять только углы. Такую модель назовем небесной сферой и будем работать с ней в сферической системе координат (без расстояний).

---

 

Небесный свод

Многие умеют находить на звездном небе созвездие Большая медведица. Звезды, которые его составляют, находятся на одном расстоянии от нас? Возьмем первые же две звезды (по яркости), Дубхе и Мерак. Первая находится от нас на расстоянии 124 св. лет, вторая – 79,7 св. года (см. рис. 2). Разброс, как видите, немалый. Но мы при взгляде на них этого не видим, мы считаем, что они изображают какую-то фигуру на плоскости. Поэтому естественна иллюзия, что все звезды находятся от нас на одном расстоянии.

Рис. 2. Расстояние до звезд Дубхе и Мерак. Звезды одного созвездия находятся на разных расстояниях от Земли

Эта иллюзия даже привела к понятию «небесный свод»: в древности существовали представления, что небо представляет собой купол из какого-то твердого материала, в который звезды вкраплены подобно драгоценным камням. Мы обсуждали, что трудно заметить движение далеких звезд друг относительно друга, поэтому возникала мысль о твердом своде. Сейчас мы понимаем, что небесного свода в таком понимании нет, но небесная сфера – это удобная модель для обозначения расположения звезд.

---

Точку небесной сферы, которая располагается прямо над нами, назвали зенит. Проведем воображаемую линию – границу видимой части небесной сферы, ниже которой ее закрывает Земля. Как назвали эту линию, вы знаете – горизонт. Конечно, граница видимой части неба зависит от рельефа, в городе – от застройки. Если утром Солнце скрыто за холмом или за деревом, это значит, что оно за горизонтом или что из-за дерева рассвет еще не наступил? Нужно договориться. Поэтому взяли модель, которая пренебрегает рельефом и считает Землю гладкой (см. рис. 3).

Рис. 3. Модель небесной сферы

Вот если мы возьмем эту небесную сферу, то теперь можно заметить, что она вращается: в течение ночи звезды понимаются от восточной части горизонта, продвигаются по своду и опускаются за западную часть горизонта. На самом деле вращается Земля, но мы находимся на ней и воспринимаем ее неподвижной, и нам кажется, что вращается все вокруг нас.

Когда катаешься на карусели, то тоже кажется, что все вокруг вращается. И друг, который стоит рядом, то появляется, то исчезает. В этом смысле Земля – это тоже большая «карусель», находясь на которой, мы наблюдаем за окружающими небесными телами. И вращающаяся небесная сфера – это хорошая модель, упрощающая описание многих небесных явлений.

Невооруженным глазом на небе можно увидеть приблизительно до 3000 звезд. Чтобы как-то разбираться в этом множестве звезд, люди пытались сгруппировать звезды так, чтобы расположение их в такой группе (созвездии) напоминало какой-нибудь знакомый предмет, животное, мифологическое существо. Его именем и называли созвездие (см. рис. 4).

Рис. 4. Примеры созвездий

На самом деле, нужно иметь богатую фантазию или быть знакомым с древними изображениями созвездий, чтобы увидеть в созвездиях тот предмет, чьим именем оно названо. К тому же смещение звезд относительно друг друга хоть и медленное, но на протяжении тысяч лет оно становится заметным, так что звездное небо в античности выглядело не так, как сейчас (см. рис. 5).

Рис. 5. Ковш Большой Медведицы с течением времени

У каждой древней цивилизации группировки звезд в созвездия (и названия созвездий) было своим. В основном в астрономии приняты древнегреческие (в переводе на латынь) или арабские названия звезд и созвездий. Возможно, вы знаете и можете находить на небе такие созвездия, как Большая и Малая медведица – о созвездиях мы подробнее поговорим чуть позже.

Выберем ориентиры, к которым привязываться при определении координат на небесной сфере. Мы обозначили одну точку – зенит, но, так как Земля вращается, это направление «вертикально вверх» указывает в направлении разных звезд. Но земная ось направлена всегда одинаково, поэтому те два направления, в которых она «указывает» двумя концами, можно взять за ориентир (см. рис. 5).

Рис. 5. Некоторые элементы небесной сферы

Мысленно продолжим ось вращения Земли до пересечения с небесной сферой. Эти точки пересечения назвали Северным и Южным мировыми полюсами. Земному экватору соответствует небесный экватор. Обратите внимание: в космосе нет понятия север или юг, и у него нет полюсов. Но мы эти направления выбрали, потому что так направлена земная ось и нам так удобнее ориентироваться, находясь на Земле.

С Земли это выглядит так: точки северного и южного полюсов на небесной сфере неподвижны, и остальная часть небесной сферы вращается вокруг этих точек (см. рис. 6).

Рис. 6. Вращение небесной сферы

Это фотография с большой экспозицией сделана в южном полушарии. Видно вращение звезд вокруг южного небесного полюса. Северный мировой полюс находится вблизи Полярной звезды, ее можно найти, взяв за ориентир две крайние звезды ковша Большой Медведицы, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Северный полюс мира

 

Звезды

 

 

Человек с нормальным зрением ясной ночью, не используя оптические приборы, может видеть на небе 2–3 тысячи звезд. Самые яркие звезды люди условно объединили в созвездия. Звезды созвездия обозначили буквами греческого алфавита в порядке убывания их яркости в пределах созвездия: α – самая яркая, следующая по яркости β, затем γ, δ и т. д. (см. рис. 8).

 

Рис. 8. Обозначения звезд в созвездии

Такое обозначение яркости имеет смысл только в рамках одного созвездия: α одного созвездия может уступать по яркости звезде γ другого созвездия (самая большая мышь меньше самого маленького слона). Многие звезды имеют и собственные имена: Вега (α Лиры); Сириус (α Большого Пса); Полярная (α Малой Медведицы) (см. рис. 9).

Рис. 9. Собственные названия звезд

Еще во II веке до нашей эры греческий астроном Гиппарх создал звездный каталог, в котором было около 1000 звезд. В нем он присвоил звездам определенные величины в зависимости от яркости их блеска. При этом звездную величину источника он считал тем большей, чем слабее он выглядит на небе, т. е. самые яркие звезды – это звезды первой звездной величины (1^m), а самые слабые, но еще видимые глазом – шестой звездной величины (6^m). Индекс m возник позже от латинского слова magnitude – величина. Это определение звездных величин, конечно, очень субъективно. Поэтому в современной астрономии оно было уточнено.

То, что мы воспринимаем глазом как яркость звезды, – это общее количество световой энергии (всех частот), приходящей от звезды за единицу времени на единицу площади, перпендикулярной лучам звезды. В физике эту величину назвали освещенностью, и она измеряется в Вт/м². На практике очень трудно измерять такую малую световую энергию, которая приходит от конкретной звезды. Поэтому используют относительные оценки, сопоставляя яркости разных звезд. Наблюдаемая звезда сравнивается с той, звездная величина которой точно известна или принимается в качестве стандарта.

В частности, была проверена шкала звездных величин Гиппарха. Оказалось, что разности звездных величин 5^m соответствует отношение освещенностей приблизительно 1:100. Этот факт положили в основу новой (логарифмической) шкалы звездных величин, в которой разность звездных величин, равная 1^m,соответствует отношению освещенностей (100)^1/5 = 2,512.

Из этого следует, что для освещенностей (E), создаваемых двумя объектами со звездными величинами m₁ и m₂, верно соотношение:

 или 

Первая формула позволяет вычислять звездные величины как слабых звезд, так и объектов ярче 1^m, звездные величины которых равны 0 или отрицательны (например, Солнца и Луны). Звездные величины в настоящее время измеряют телескопами, снабженными фотоэлектрическими приемниками излучения, основанными на фотоэффекте (см. рис. 10).

Рис. 10. Шкала звездных величин

На рисунке вы видите шкалу, на которой изображены звездные величины известных светил и пределы разрешения оптических инструментов.

С помощью звездной величины мы можем выразить количественно, как ярко выглядит с Земли звезда. Но допустим, есть две звезды с одинаковой звездной величиной. Одна звезда яркая, но находится на большом расстоянии от нас, а вторая – менее яркая, но расположена близко. Выглядят они одинаково ярко, и звездная величина не позволяет оценить, сколько энергии выделяет звезда, она показывает, сколько энергии от нее доходит до нас. Поэтому название этой физической величины уточнили: видимая звездная величина (m).

Чтобы сравнивать светимость звезд (то есть полную излучаемую энергию), находящихся на разных расстояниях от Земли, ввели абсолютную звездную величину (M). В формуле уже учитывается расстояние до звезды, строгое определение абсолютной звездной величины мы здесь приводить не будем.

Звездная величина светила зависит от размеров светила, излучаемой им энергии, расстояния до наблюдателя и т. п. Поэтому нельзя по видимой звездной величине определить: если звезда более яркая, она большего размера или расположена ближе к нам? Однако некоторые параметры, определяющие яркость звезды (например, температуру), можно оценить по тому, в какой области спектра звезда светит наиболее ярко.

В кузнице при нагревании заготовки она сначала становится красной, затем желтой, потом белой. Из физики мы знаем, что любое нагретое тело излучает электромагнитные волны, и тела с температурой несколько сотен градусов излучают в основном в инфракрасном диапазоне волн, а более нагретые – в широком диапазоне видимого света и даже в ультрафиолете. Это относится в том числе и к звездам. Что касается планет и их спутников, которые сами видимый свет не излучают, а освещаются Солнцем, их цвет определяется отражающими свойствами их поверхностей и атмосфер.

В астрономии используется несколько систем звездных величин для разных участков спектра, т. е. в разных системах измеряется световая энергия только в определенном интервале длин волн (см. рис. 11).

Рис. 11. Звездные величины в различных областях спектра

В обычных условиях ограничиваются звездными величинами в желто-зеленой области света, так как в ней наиболее чувствителен глаз человека. Такие звездные величины обозначаются буквой V. Звездные величины, определяемые в других областях спектра, обозначаются другими буквами: ультрафиолетовой (U), голубой (B), красной (R), инфракрасной (I, Hили K). Разность звездных величин источника, измеренных в разных областях спектра (U– Bили B– V), определяет видимый наблюдателем цвет звезды.

Как известно из биологии, глаз человека плохо различает цвета при слабом освещении, когда в глазах работают только палочки (различающие цвета колбочки включаются при большей освещенности, чем дает свет звезды). Поэтому человек только у самых ярких светил может заметить легкий красноватый или голубоватый оттенок (Марс часто называют красной планетой, а Венеру – голубой). Все неяркие светила кажутся нам одинаково белыми. Однако с помощью фотоэлектрических приборов цвет определяется и у неярких звезд.

 

Созвездия

 

 

Мы уже сказали о созвездиях: их люди придумали для ориентации на небесной сфере. Но понятие созвездия как набора звезд не всегда удобно: нужно перечислить все звезды, которые мы к нему отнесли, вдруг какую-то звезду мы просто не увидели? А когда мы ее увидим (хотя бы лучше присмотревшись или использовав более чувствительный телескоп), нужно каждый раз договариваться, к какому созвездию ее отнести? Поэтому в 20–30-е годы прошлого века астрономы договорились считать созвездием участки небесной сферы, которых выделили 88, и о границах, о которых четко договорились. Так созвездия полностью покрывают небесную сферу, как страны политическую карту мира.

 

Каждый такой участок может содержать какое-нибудь из старых, названных в честь героев, богов или экзотических животных созвездий как наборов звезд, наследует его название, но содержит намного больше звезд (видимых и невидимых невооруженным глазом). Кроме того, среди 88 утвержденных Международным астрономическим союзом созвездий есть «новые», которые составители старых карт не могли видеть (в основном в южном полушарии, например созвездия Телескоп, Микроскоп, Циркуль, см. рис. 12).

Рис. 12. Участки некоторых созвездий южного полушария

В обыденной жизни иногда созвездием считается так называемый астеризм – небольшая часть звезд созвездия, наиболее ярких и создающих легко обнаруживаемый узор. Так 7 звезд, образующих «ковш», это лишь часть всего созвездия Большая Медведица, аналогично 5 звезд, образующих «W», это не все созвездие Кассиопея. На сайте Astronet можно получать виды разных участков звездного неба для любого места на Земле, задавая время и т. п. На этих участках подписаны созвездия, широко известные звезды и т. п.

Рассмотрим более подробно карты некоторых созвездий.

1. Созвездие Малая Медведица (см. рис. 13)

Рис. 13. Созвездие Малая Медведица

Граница созвездия (а мы договорились, что это участок неба) указана красным. По соседству с Малой Медведицей расположено созвездие Дракон. Три самых ярких звезды: α (Полярная), β (Кохаб), γ (Феркад). Отметим, что многие названия звезд арабские.

2. Созвездие Цефей (см. рис. 14)

Рис. 14. Созвездие Цефей

Созвездие Цефей граничит с Малой Медведицей, Драконом, Кассиопеей, Ящерицей. Обратите внимание, что на карте одна координата (широта) дана в градусах, а вторая – в часах (h), об этом мы подробнее поговорим чуть позже.

3. Созвездие Гончие Псы (см. рис. 15)

Рис. 15. Созвездие Гончие Псы

Созвездие граничит с Большой Медведицей, Волопасом, Волосами Вероники. Самая яркая звезда α Гончих Псов называется Сердце Карла (в честь английского короля Карла II). На карте также отмечена самая яркая звезда в созвездии Волопаса Арктур (α Волопаса).

Но на звездном небе, конечно же, нет границ между созвездиями и звезды не подписаны. Поэтому давайте научимся искать на небе некоторые самые известные созвездия.

1. Малая Медведица, Кассиопея и Дракон. Эти созвездия на территории России являются незаходящими (находятся вблизи Северного полюса мира), то есть при хорошей погоде и в темное время суток их видно всегда. Сначала нужно найти на небе «ковш» Большой Медведицы. Обратите внимание на две крайние звезды «ковша». Если мысленно провести через них прямую линию и отложить на продолжении этой прямой расстояние примерно в 4–5 раз больше расстояния между этими двумя указанными звездами, окажемся возле яркой Полярной звезды. Полярная звезда – это конец ручки «ковша» Малой Медведицы. То есть мы нашли и ее (см. рис. 16).

Рис. 16. Как обнаружить Малую Медведицу и Кассиопею на звездном небе

Теперь обратите внимание на вторую звезду в рукоятке «ковша» Большой Медведицы, она называется Мицар (по-арабски – конь). От Мицара проведите линию к Полярной звезде и продолжите ее на такое же расстояние. Вы окажетесь вблизи яркого астеризма в виде буквы W. Это и есть часть созвездия Кассиопея.

Созвездие Дракона можно найти по таким признакам: оно имеет длинный «хвост», находящийся между Малой и Большой Медведицами, и «голову» из 4 звезд выше и левее «ковша» Малой Медведицы (при таком повороте небесной сферы, как на рис. 17. При другом повороте в другое время года и суток это может быть не выше и левее, а другое направление).

 

Рис. 17. Созвездие Дракона. Небесная сфера может быть по-разному ориентирована в разное время года

2. Лира и Цефей. Научившись находить на небе Большую и Малую Медведицу, Кассиопею и Дракона, можно найти еще два околополярных созвездия: Цефея и Лиру (см. рис. 18). В созвездии Лиры находится самая яркая звезда северной полусферы – Вега (блеск Веги +0,03^m). С этой звезды можно начать поиск нужных созвездий.

Рис. 18. Как находить созвездия Лира и Цефей

Вегу хорошо видно над горизонтом в юго-западной или западной части небосвода в начале осени. Мысленно проведите линию от крайней звезды «ковша» Большой Медведицы (эта звезда называется Дубхе – от арабского «спина медведя») через «голову» Дракона. Вега – самая яркая звезда на продолжении этой линии. Вблизи Веги есть несколько слабых звезд, образующих фигуру, напоминающую параллелограмм – это созвездие Лиры (Вега – α Лиры). Переведя взгляд ближе к зениту, между Драконом и Кассиопеей вы найдете созвездие, напоминающее домик с крышей – это Цефей.

3. Лебедь и Орел. Летом и в начале осени (около 11 часов вечера) нужно обратить свой взор на юго-восточную часть горизонта (встать спиной к закату). Высоко над горизонтом вы увидите яркую звезду – это уже знакомая вам Вега (α Лиры) (см. рис. 19).

Рис. 19. Как находить созвездия Лебедя и Орла

Левее Веги есть еще одна чуть менее яркая звезда Денеб (см. рис. 19). Денеб (по-арабски – хвост) – это α Лебедя. На рисунке обозначены и другие звезды созвездия Лебедь, они образуют фигуру, напоминающую крест. Найдем теперь созвездие Орла. Икать будем опять по самой яркой звезде этого созвездия, Альтаиру (α Орла). Альтаир по блеску превосходит Денеб, а вместе с Вегой эти три самые яркие звезды образуют почти равнобедренный треугольник, вершина которого – Альтаир. Этот треугольник ярчайших звезд называют летне-осенним треугольником. Правее Альтаира располагаются и другие (более слабые) звезды созвездия Орла. А левее – небольшое созвездие Дельфина.

 

Небесные координаты

 

 

Звезды расположены в трехмерном пространстве, но мы, когда вводили модель небесной сферы, одну координату сферической системы координат зафиксировали: расстояние. Остались две угловые координаты, которые определяют точку на небесной сфере, как х и у – точку на плоскости. Похожей системой мы пользуемся в географии: точку на поверхности Земли можно задать двумя угловыми координатами, широтой и долготой. На картах созвездий мы уже обратили внимание на координатную сетку и обозначения углов: в градусах и часах (см. рис. 20).

 

Рис. 20. Географические координаты

Обсудим, какие придумали системы координат. Углы в астрономии обычно выражают в градусах (минутах, секундах), но в некоторых случаях, когда угловое перемещение небесного объекта связано с суточным вращением Земли, удобно градусы переводить в часы.

Важнейшие линии и точки на небесной сфере – это Северный и Южный полюсы мира (их определения мы уже ввели), проходящая через них ось мира, отвесная линия (направление силы тяжести), которая пересекает небесную сферу в точках зенит и надир. Секущая плоскость, проходящая через центр сферы, делит ее на две одинаковые полусферы по окружности, которую астрономы называют большим кругом. Если секущая плоскость не содержит центр сферы, то круг называется малым (см. рис. 21).

Рис. 21. Линии, точки и секущие плоскости небесной сферы

Через любые две точки небесной сферы проходит в точности один большой круг. Углы между точками небесной сферы отсчитывают по дугам больших кругов, измеряя соответствующие центральные углы (, О – центр).

Выделим важнейшие большие круги на небесной сфере:

• математический горизонт – большой круг, плоскость которого перпендикулярна отвесной линии;
• небесный экватор – большой круг, плоскость которого перпендикулярна оси мира;
• небесный меридиан – большой круг, проходящий через зенит и Северный полюс мира (или через надир и Южный полюс мира) (см. рис. 22).

Рис. 22. Большие круги на небесной сфере, математический горизонт

Математический горизонт пересекается с небесным меридианом в точках севера N и юга S, а с небесным экватором в точках востока E и запада W. Математический горизонт делит небесную сферу на видимую и невидимую половины, а небесный экватор – на северную и южную.

Положение точки на поверхности Земли определяют географические координаты – широта и долгота. Широты отсчитываются от экватора (экваториальной плоскости), а долготы от нулевого (гринвичского) меридиана. Похожим образом придумали и так называемую экваториальную систему небесных координат (см. рис. 23), рассмотрим ее подробнее.

Рис. 23. Экваториальная система небесных координат

Представьте, что вы находитесь внутри большого пустого глобуса (в его центре) и видите сквозь стенки глобуса сетку географических координат. Практически так выглядит экваториальная система координат.

В качестве основной плоскости отсчета углов используется плоскость небесного экватора. Каждая точка небесной сферы имеет две угловые координаты, которые назвали склонением и прямым восхождением.

Чтобы определить первую координату точки небесной сферы M (некоторого светила), через эту точку нужно провести большой круг P_NMP_S, плоскость которого перпендикулярна плоскости небесного экватора. Этот круг назвали кругом склонения. Точка M₁ принадлежит и кругу склонения, и экватору. Дуга MM₁ круга склонения называется склонением (δ). Склонение выражается в градусах, его приняли положительным в северной полусфере и отрицательным – в южной. Понятно, что, если точка лежит на небесном экваторе, ее склонение равно нулю. Это аналог широты в географических координатах.

Вторая координата (аналог географической долготы) называется прямым восхождением (α). Этот угол отсчитывается по небесному экватору, а за ноль принята точка весеннего равноденствия, строгое определение этой точки мы введем позже. Она находится в зодиакальном созвездии Овен и обозначается . Поэтому прямым восхождением мы назвали угловую меру дуги M₁. Прямое восхождение приняли положительным, если дуга M₁ направлена с запада на восток, и в противном случае – отрицательным.

Угол прямого восхождения α принято выражать в часах (минутах, секундах) из расчета, что 24 часа соответствуют полной окружности 360 градусов (Земля совершает полный оборот вокруг своей оси за 24 часа), т. е. 1 градус равен 4 минутам времени.

Если не рассматривать движение звезд друг относительно друга, получится, что из-за вращения Земли все звезды (и точка весеннего равноденствия ) передвигаются по небу с постоянной угловой скоростью, 15 градусов в час, это так называемое суточное движение (см. рис. 24).

Рис. 24. Суточное движение

А так как относительное расположение звезд в суточном движении не меняется и направление земной оси (а значит и оси мира) фиксировано, то и координаты звезд в экваториальной системе координат (α, δ) можно считать неизменными.

Для ориентации среди звезд астрономы используют именно экваториальную систему координат, потому что в ней удобно создавать звездные карты и каталоги звезд. Карты, на которых мы рассматривали примеры созвездий, используют именно эту систему координат.

---

Небесные координаты на пальцах Расстояния на небесной сфере измеряются в градусах. Для этого есть грубый, но очень простой измерительный инструмент. Он у нас буквально в руках. Угловой размер пальца вытянутой руки приблизительно равен 1°. Конечно, у всех людей пальцы разные, но все-таки обычно в среднем палец закрывает полностью диск Солнца или Луны, угловые размеры которых 0,5°. Самая широкая часть ладони вытянутой руки имеет угловой размер около 10°. Проверить точность можно по «ковшу» Большой Медведицы. Ладонь с растопыренными пальцами – 16°. Оценить точность можно по астеризму Квадрат Пегаса, состоящему из трех самых ярких звезд созвездия Пегас и одной звезды созвездия Андромеды.

---

При наблюдении звезд часто используют другую систему координат, которая связана с местом наблюдения, ее назвали горизонтальной системой небесных координат. В этой системе основной линией является горизонт – в модельном понимании, которое мы уже обсудили, без учета рельефа, его еще называют математический горизонт.

Чтобы найти эту линию на небесной сфере, нужно сначала построить вертикальную линию, например с помощью отвеса. Эта вертикаль пересечет небесную сферу в точке зенита Z (прямо над наблюдателем). Плоскость, перпендикулярная вертикальной линии и содержащая точку наблюдения, является горизонтальной плоскостью. Линия пересечения этой плоскости с небесной сферой называется математическим горизонтом (см. рис. 25).

Рис. 25. Горизонтальная система небесных координат

Небесный экватор пересекает горизонт в двух точках: E (восток) и W (запад). Небесный меридиан, проходящий через зенит и полюсы мира, пересекает горизонт в точках N (север) и S (юг). Обратите внимание, что N и S– это не полюсы мира, а точки горизонта. Угловое расстояние от горизонта до некоторой точки небесной сферы (звезды и т. п.) назвали высотой (на рисунке высота обозначена h). Высота измеряется в градусах от – 90 (под горизонтом) до +90 (над горизонтом). Высота – это аналог склонения в экваториальной системе координат, только эти две системы повернуты друг относительно друга на некоторый угол. Представим, что мы проводим наблюдения, находясь на Северном полюсе. Тогда Северный полюс мира будет находиться вертикально над нами, в зените, и вертикальная линия совпадет с осью мира. И если мы будем смещаться на юг на какое-то количество градусов географической широты, то наша вертикальная линия сместится относительно оси мира на тот же угол. Поэтому высота h_p полюса мира над горизонтом равна географической широте места ϕ наблюдения (см. рис. 26).

Рис. 26. Горизонтальная система координат, координаты звезды зависят от положения наблюдателя

Вторую координату точки небесной сферы назвали азимутом A. Азимут также измеряют в градусах (от 0 до 360). Этот угол договорились отсчитывать от точки юга по направлению к западу. Таким образом азимут Северного полюса мира (а он не смещается при суточном вращении Земли) равен 180°.

Горизонтальная система координат удобна для измерений, но неудобна тем, что координаты светил непрерывно меняются из-за суточного вращения небесной сферы (это модель, на самом деле вращается Земля, но тем не менее). Светила восходят, поднимаются над горизонтом до максимальной высоты, а затем опускаются и заходят за горизонт.

Таким образом, в экваториальной системе координат координаты звезд неизменны, а в горизонтальной системе координат координаты звезд постоянно меняются. В физике часто систему координат, связанную с неподвижными звездами, с хорошей точностью принимают за инерциальную систему отсчета. В этом смысле экваториальную систему небесных координат можно считать инерциальной (см. рис. 27).

Рис. 27. Координаты звезды в разных системах координат (неизменные на протяжении суток – в экваториальной и изменяющиеся – в горизонтальной системе координат)

При восходе и заходе светило имеет высоту h = 0. Максимальную высоту светило имеет при пересечении небесного меридиана над точкой юга. Этот событие называется верхней кульминацией. Соответственно, нижней кульминацией называется нахождение светила на минимальной высоте h. В зависимости от того, над горизонтом или под ним происходят кульминации светил, их относят к незаходящим, невосходящим или к таким, которые восходят и заходят (см. рис. 28).

Рис. 28. Суточное движение светил относительно наблюдателя

На рисунках показано, как наблюдатель видит суточное движение светил, находясь в разных географических широтах. На полюсе видны звезды только одной полусферы (северной или южной), зато в любое время суток (полярной ночью). В средних широтах никогда не видны звезды одной из полярных областей, а некоторые звезды другой приполярной области никогда не заходят. Звезды средней (околоэкваториальной) области восходят и заходят за горизонт. На экваторе наблюдению доступны все звезды, и все они восходят и заходят.

Системы координат – это наш инструмент, который мы придумали для удобства, и для разных целей их можно создать еще сколько угодно. Кроме двух рассмотренных нами систем, широко используются и другие, но их мы сегодня рассматривать не будем.

 

Список литературы

1. Левитан Е. П. Астрономия. 11 класс: учеб. пособие для общеобразоват. организаций : базовый уровень. – М.: Просвещение, 2018.
2. Воронцов-Вельяминов Б.А., Страут Е.К. Астрономия 10-11, базовый уровень. – М.: Дрофа, 2019.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Astronet
2. Интернет-портал Astronet
3. Интернет-портал Astronet

 

Домашнее задание

1. Попробуйте самостоятельно рассмотреть в ночном небе созвездия по приведенной в уроке схеме. Запишите свои наблюдения и начертите схематический рисунок по наблюдению.
2. С помощью данных в интернете составьте таблицу освещенности наиболее ярких звезд, которые вы найдете на звездном небе.