IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИЗУЧЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ НА НЕБОСВОДЕ ПОЛОЖЕНИЯ СОЗВЕЗДИЯ БОЛЬШОЙ МЕДВЕДИЦЫ В ТЕЧЕНИЕ ВРЕМЕНИ НАБЛЮДЕНИЯ
Дельмухаметов Н.О.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


1. Введение

Каждый человек любит смотреть на звезды. Редко кто глядя в ночное небо не восхищается его красотой и не задумывается – “А что там в глубине космоса? Что такое звезды? Как они устроены? Как и откуда они возникли?”

Мне всегда очень нравилось смотреть научно-популярные передачи о строении вселенной, ее зарождении, о звездах и планетах Солнечной системы. В прошлом году на день рождения родители подарили мне телескоп начального уровня Levenhuk Strkike 80NG. С помощью него мы с папой наблюдали за Луной, структурой ее поверхности, кратерами.

Возможность изучить такие интересные для меня вопросы, совместить изучение теоретического материала с практическими занятиями с телескопом и рассказать об этом друзьям в классе, возможно, увлечь еще, кого то этой темой, показалось мне очень удачной. Поэтому считаю, что тема исследования, выбранная для этой работы крайне актуальна.

Вместе с папой мы придумали и сформулировали цель работы и поставили для меня задачи, которые мне необходимо решить для достижения поставленной цели исследования.

Цель работы: Изучение движения на небосводе положения созвездия большой медведицы в течение года.

Задачи:

- Изучить виды небесных тел и их характеристики.

- Изучить существующие виды телескопов, принципы действия и конструкции оптических телескопов и их характеристики.

- Научиться принципам работы с виртуальным планетарием Stellarium.

- Научиться пользоваться телескопом.

- Научиться ориентироваться на звездном небосводе относительно местности, находить те или иные небесные объекты.

- Изучить движение на небосводе положения созвездия большой медведицы в течение времени наблюдения.

- Провести анализ причин изменения положения созвездия.

2. Виды небесных тел Планеты солнечной системы

Солнечная система состоит из планет, которые вращаются вокруг Солнца. Солнце содержит около 98% массы всех объектов в Солнечной системе. Солнце является настолько огромным, что его мощная гравитация притягивает к себе всё в Солнечной системе. В то же время, планеты движутся очень быстро и пытаются улететь от Солнца в пространство, балансируя между притягиванием к Солнцу и путешествием в Космос.

Ниже приведены снимки Солнца и планет Солнечной системы. Снимки сделаны с помощью программы Solar System Scope. https://www.solarsystemscope.com/

Рис. 1 Солнце и планеты Солнечной системы

На самом близком расстоянии от Солнца находится Меркурий – планета земного типа. Меркурий – самая маленькая планета Солнечной системы. Поскольку у него нет атмосферы, чтобы сохранять тепло, его поверхность испытывает самый большой перепад температур по сравнению с другими планетами. На небосклоне Земли Меркурий виден как утренняя или вечерняя звезда, но из-за его близости к Солнцу его очень тяжело увидеть. И, тем не менее, его можно наблюдать 2 раза в год, весной на закате и осенью перед рассветом.

Венера - планета земного типа. Венера подобна по размеру и внутренней структуре Земле, но вулканическая поверхность, жаркая и плотная атмосфера, делают ее одним из самых негостеприимных мест Солнечной системы. Венера – один из самых ярких объектов ночного неба, по яркости она уступает только Луне. Она появляется либо как утренняя либо как вечерняя звезда.

Земля - планета земного типа. Наша планета - самая плотная из 8 планет Солнечной системы. Она так же самая большая из 4 планет земной группы. 71% земной поверхности покрыт океанами, оставшиеся 29% заняты семью континентами. Сегодня ось Земли наклонена на 23,4 градуса, что создает сезонные изменения в климате и погоде по всей поверхности планеты в течение года. Магнитное поле Земли генерируется в расплавленном наружном ядре и простирается во все стороны, образуя магнитосферу – барьер, захватывающий частицы солнечного ветра и защищающий Землю от солнечной радиации.

Марс – планета земного типа. Марс – это четвертая планета от Солнца и вторая маленькая планета Солнечной системы. Красноватая окраска поверхности Марса обусловлена присутствием оксида железа (ржавчины). Между ним и Землей много сходства: каменная поверхность и ледяные шапки на полюсах. Дни на Марсе всего лишь на 40 минут длиннее земных, а наклон оси способствует смене сезонов как на Земле, хотя каждый сезон длится в 2 раза дольше.Марс имеет необычный пейзаж: конусные вулканы и огромные системы каньонов. Марс легко можно увидеть невооруженным глазом с Земли, благодаря красноватой окраске. Его видимая звездная величина уступает только Солнцу, Луне, Венере и Юпитеру.

Юпитер - газовый гигант.Юпитер - самая большая планета Солнечной системы. С точки зрения состава,он наиболее похож на Солнце. Юпитер очень быстро вращается вокруг своей оси. Из-за этого его атмосфера подвержена сильным ветрам, которые вызывают образование цветовых полос, а также различных вихрей и гигантских штормов. Юпитер – четвертый самый яркий объект в нашем небе после Солнца, Луны и Венеры. Поскольку его орбита находится снаружи земной орбиты, то планета видна как очень яркий объект, если наблюдать ее в телескоп.

Сатурн – газовый гигант. Сатурн – это шестая планета от Солнца и вторая по величине планета Солнечной системы. Вплоть до изобретения современного телескопа Сатурн считали самой отдаленной из планет. Из всех планет Солнечной системы у него самая маленькая плотность (меньше плотности воды). Несмотря на то, что у других газовых гигантов есть кольцевые системы, кольца Сатурна самые большие и заметные. Они состоят из ледяных кристаллов воды и незначительного количества скальных пород. Невооруженным взглядом Сатурн на ночном небе выглядит как яркая желтоватая точка света. Увеличение как минимум в 30 раз позволяет увидеть его кольца.

Уран – ледяной гигант. Уран – это седьмая планета от Солнца и третий газовый гигант Солнечной системы, одна из самых холодных планет. Уран был первой планетой, которую открыли с помощью телескопа. Это открытие сделал Уильям Гершель в 1781 году.Уран имеет наклон оси 97,77 градусов, и он вращается на боку в отличие от всех других планет Солнечной системы.Уран можно увидеть невооруженным взглядом только когда он находится в оппозиции от Солнца относительно Земли. Он выглядит как бледная звезда на темном небе.

Нептун – ледяной гигант. Нептун – восьмая и официально самая дальняя планета от Солнца. Эта самая маленькая, но самая плотная планета газовый гигант. Сила гравитации на поверхности Нептуна уступает только Юпитеру. Нептун – это первая планета, открытая с помощью математических расчетов, нежели путем прямого наблюдения.

Также в состав Солнечной системы входят карликовые планеты, расположенные на периферии в поясе Койпера: Плутон, Эрида, Хуамея, Макемаке, и Церера.

Звезды. Что такое звезда. Рождение и гибель звезд

Звезда́ – газовый шар, излучающий свет и удерживаемый в состоянии равновесия силами собственной гравитации и в недрах которого происходят (или происходили ранее) реакции термоядерного синтеза. Рождение и гибель звезд – последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, т.е. на протяжении миллионов лет, пока она излучает свет и тепло.

Звезда начинает свою жизнь как холодное облако газа, сжимающееся под действием гравитации и постепенно принимающее форму шара. При сжатии энергия гравитационного поля переходит в тепло и температура объекта возрастает. Когда начинаются термоядерные реакции, сжатие прекращается и объект становится полноценной звездой. В таком состоянии она пребывает большую часть своей жизни. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается. В этот период внешние слои звезды расширяются, а температура поверхности снижается – звезда становится красным гигантом. Далее запускаются реакции вторичного термоядерного синтеза, гелий превращается в углерод. Когда заканчивается топливо для вторичного термоядерного синтеза, гравитационные силы вновь начинают сжимать звезду, и она превращается в белого карлика, пока не остынет окончательно.

Рис. 2 Эволюция звезды на примере Солнца

Звёзды более чем в 8 раз массивнее Солнца погибают по-другому. После сгорания гелия их масса при сжатии разогревает ядро и оболочку настолько, что запускаются реакции, в результате которых получаются сначала углерод, потом кремний и следующие элементы. Когда доходит очередь до железа, наступает конец звезды. Термоядерные реакции прекращаются, силы гравитации обрушивают оболочку звезды к её центру. Происходит взрыв сверхновой, при котором выделяется в 100 раз больше энергии, чем даёт Солнце за всю жизнь. Все химические элементы, образованные в звезде, разлетаются в космос. Дальше гравитация продолжает сжимать то, что осталось, и на определённом этапе получается нейтронная звезда – пульсар. На её поверхности сверхсильные магнитные поля и сверхсильная гравитация.

Если же звезда была более чем в 30 раз тяжелее Солнца, то после взрыва её, как сверхновой, образуется чёрная дыра, которая имеет огромную плотность. Сила гравитации чёрных дыр стремится к бесконечности, ее не могут преодолеть даже частицы света, поэтому черная дыра не отражает падающий на неё свет. Учёные предполагают, что в чёрных дырах не действуют законы физики, перестаёт существовать пространство и время. Край чёрной дыры – горизонт событий – это граница времени и пространства. Центр чёрной дыры – сингулярность – физическая неопределённость. Чёрная дыра поглощает звезды, и туманности пока им хватает места. А потом выбрасывает мощный поток газа – квазар за пределы галактики.

Рис. 3 Жизненный цикл звёзд в зависимости от их масс

Классификация звезд. Цвет звезды. Понятие звездной величины

Астрономы оценивают величину звёзд по шкале, согласно которой, чем ярче звезда, тем меньше её номер. Каждый последующий номер соответствует звезде, в десять раз менее яркой, чем предыдущая. Самой яркой звездой ночного неба во Вселенной является Сириус. Его видимая звёздная величина составляет -1.46. Звёзды, чья величина составляет 8 и более невозможно увидеть невооружённым взглядом.

Звёзды также разделяются по цветам на спектральные классы, указывающие на их температуру. Всего существуют 7 спектральных классов звёзд Вселенной: O, B, A, F, G, K, и M. Классу О соответствуют самые горячие звёзды – голубого цвета. Самые холодные звёзды относятся к классу М, их цвет красный.

Спектральная классификация звезд

Спектральный класс

Цвет

Температура, К

Примеры звезд

O

Голубой

30 000

Беллатрикс (γ Ориона)

 

Бело-голубой

20 000

Регул (α Льва)

A

Белый

10 000

Сириус

F

Желто-белый

8000

Альтаир (α Орла)

G

Желтый

6000

Солнце

K

Оранжевый

5000

Альдебаран (α Тельца)

M

Красный

3500

Бетельгейзе (α Ориона)

3. Телескоп как инструмент исследования космоса

Телеско́п (от др.-греч. τῆλε [tele] – далеко + σκοπέω [skopeo] – смотрю) — прибор, с помощью которого можно наблюдать отдаленные объекты путём сбора электромагнитного излучения (например, видимого света).

Оптические телескопы используют в астрономии для наблюдения за небесными светилами или для наблюдения за удалёнными объектами в качестве зрительной (подзорной) трубы.

Виды телескопов

Телескопы можно классифицировать по типам конструкций, размерам зеркала, диапазонов наблюдаемых объектов, базирования (наземные, космические). Существуют телескопы для всех диапазонов электромагнитного спектра: оптические телескопы, радиотелескопы, рентгеновские телескопы, гамма-телескопы.

Рис. 4 Радиотелескоп РТФ-32 Обсерватория «Зеленчукская» Северный Кавказ

Рис. 5 Космический телескоп Хаббл

Принцип действия и конструкции любительских оптических телескопов.

Систем любительских оптических телескопов делятся на три основных типа:

1. Рефракторы (линзовые) имеют объектив в передней части трубки – наиболее распространенный вид любительских телескопов. Они обладают рядом недостатков затрудняющих его использование для исследования объектов дальнего космоса. Это телескопы начального уровня.2. Рефлекторы (зеркальные) собирают свет с помощью зеркала в задней части основной трубы. У данного типа телескопов есть одна особенность – он требует периодической оптической коррекции.

3. Составные (или зеркально-линзовые) телескопы, которые сочетают в себе технологию двух предыдущих, сделаны на основе комбинации линз и зеркал. Такие телескопы обычно имеют компактные трубы и относительно легкий вес. Существует две наиболее популярные конструкции составных телескопов: Шмидт-Кассегрена и Максутова-Кассегрена.

Рис. 6 Схема основных систем телескопов

Технические характеристики оптических телескопов

Каким бы странным человеку незнакомому с астрономией это не показалось, но в телескопах главное не увеличение, а диаметр входного отверстия (апертура), через которое свет попадает в прибор. Чем больше апертура телескопа, тем больше он соберет света и тем более слабые объекты в него удастся рассмотреть. Измеряется в мм, обозначается D.

Следующий параметр телескопа – фокусное расстояние. Фокусное расстояние (F) – расстояние, на котором линзы объектива или главное зеркало телескопа строят изображение наблюдаемых объектов. Измеряется также в мм. Окуляры, как приборы, состоящие из линз, тоже имеют свое фокусное расстояние (f). Таким образом, меняя окуляры, можно получать разные увеличения. Но верхний предел увеличений для каждого телескопа тоже ограничен! Если у нас телескоп диаметром 150мм, то максимальное увеличение, которое можно получить на нем равно где-то тремстам кратам – 300х. Если ставить большие увеличения, качество картинки будет существенно ухудшаться.

Монтировка – это поворотная опора, которая позволяет наводить телескоп на нужный объект, а при длительном наблюдении или фотографировании – компенсировать суточное вращение Земли. Состоит из двух взаимно перпендикулярных осей для наводки телескопа на объект наблюдения, может содержать приводы и системы отсчёта углов поворота. Устанавливается монтировка на какое-либо основание: колонну, треногу или фундамент. Основная задача монтировки – обеспечение выхода трубы телескопа в указанное место и плавность ведения объекта наблюдений. Известны Альт-азимутальная и Экваториальная монтировка.

4. Изучение движения на небосводе положения созвездия Большой медведицы в течение времени наблюдения Объект наблюдения. Состав созвездия

Большая Медведица (лат. Ursa Major) – созвездие северного полушария неба. Семь звёзд Большой Медведицы составляют фигуру, напоминающую ковш с ручкой. Все звёзды Ковша имеют собственные арабские имена:

Дубхе (α Большой Медведицы) значит «медведь»;

Мерак (β) – «поясница»;

Фекда (γ) – «бедро»;

Мегрец (δ) – «начало хвоста»;

Алиот (ε) – «курдюк»;

Мицар (ζ) – «кушак» или «набедренная повязка».

Алькаид (η) значит «предводитель плакальщиц».

В системе обозначения звёзд греческими буквами порядок букв просто соответствует порядку звёзд.

Две самые яркие звезды – Алиот и Дубхе. По двум крайним звёздам этой фигуры (α и β) можно найти Полярную звезду. Видно на всей территории России круглый год (за исключением осенних месяцев на юге России).

Рис. 7 Изображение созвездия Большой медведицы

Инструменты и методы исследования. Телескоп LevenhukStrkike 80NG

Рис. 8 Телескоп Levenhuk Strike 80NG

Телескоп Levenhuk Strike 80 NG - это рефрактор-ахромат на легкой азимутальной монтировке с лазерным искателем типа red dot.

В комплекте к телескопу идут программа-планетарий Stellarium, книга для начинающих астрономов «Увидеть все!», планисфера, руководство по эксплуатации, компас (с его помощью для наблюдения восходов Луны и планет телескоп выставляют по азимуту).

Состав телескопа

1. Труба телескопа

9. Фиксатор треноги

2. Защитная бленда

10. Лоток для аксессуаров (80 NG)

3. Искатель

11. Винт регулировки по ази муту

4. Окуляр (F20 мм, F6 мм)

12. Альт-азимутальная монтировка

5. Диагональное зеркало

13. Винт регулировки по высоте

6. Механизм тонких движений

14. Окуляр F20мм

7. Тренога

15. Окуляр F6 мм

8. Регулируемая резиновая ножка

16. Линза Барлоу

Технические характеристики Levenhuk Strike 80 NG

Оптическая схема

рефрактор-ахромат

Диаметр объектива (апертура), мм

80

Фокусное расстояние, мм

720

Максимальное увеличение, крат

360

Предельная звездная величина

11,5

Тип монтировки

симметричная английская монтировка с ярмом (альт­-азимутальная) и осью склонений

Свободный виртуальный планетарий Stellarium

Программа Stellarium это свободный виртуальный планетарий, чтобы создавать реалистичное небо в режиме реального времени. Содержит большой каталог информации о звездах, созвездиях, спутниках, кометах и других небесных объектах. Stellarium создан французским программистом Фабианом Шеро, который запустил проект летом 2001 года. Текущая версия 1.16.1 выпущенная в сентябре 2017.

Возможности программы: более чем 120 000 звёзд, планеты всей солнечной системы и их главные луны, управление временем, симулятор телескопа с различными окулярами и линзами, различные координатные сетки.

Методика исследования. Результаты наблюдения.

Для исследования движения на небосводе положения созвездия большой медведицы в течение времени наблюдения применялась программа Stellarium и телескоп Levenhuk Strkike 80NG.

На начальном этапе освоения программы я учился определять положение того или иного объекта на небосводе. Для того, чтобы найти нужный объект, в качестве ориентира могут использоваться наиболее яркие звезды. От них откладывая направление и расстояния по определённым правилам можно искать другие небесные тела. В Приложении №1 собраны снимки экрана, где показано, как зная наиболее яркие и известные астеризмы (части созвездий), можно находить другие.

Следующим этапом необходимо было изучить, как же перемещается созвездие Большой медведицы по небу. Конечно, мы рассматривали не все созвездие, т.к. оно достаточно большое, а перемещение наиболее известного астеризма – Большого ковша.

Конечно, способ прокладки астрономических линий положения на карте требует вычислений по формулам, что не позволило мне провести расчеты самостоятельно. Но в этом очень помогает программа Stellarium, которая показывает положение светила в Горизонтальных координатах.

Горизонтальная система координат – это система небесных координат применяющаяся при наблюдениях звёзд и движения небесных на местности невооружённым глазом, в бинокль или телескоп с азимутальной установкой (как раз такой, как у моего телескопа). Горизонтальные координаты планет, Солнца и звёзд непрерывно изменяются в течение суток ввиду суточного вращения небесной сферы.

В таблице ниже приведены данные моих наблюдений за перемещением звезд созвездия с июня по октябрь 2017 и его изображение на небосводе.

 

22.06.2017

22.07.2017

22.08.2017

22.09.2017

22.10.2017

Алькаид

+281.46/+58.21

+298.56/+42.27

+316.21/+28.36

+335.08/+18.43

+354.36/+14.17

Мицар

+294.20/+57.41

+307.59/+43.07

+323.34/+30.54

+340.52/+22.41

+358.42/+19.40

Алиот

+299.13/+54.17

+312.40/+40.30

+328.17/+29.20

+345.34/+22.26

+3.12/+20.46

Мегрец

+304.51/+50.05

+318.21/+37.21

+334.07/+27.35

+351.27/+22.23

+8.46/+22.25

Фекда

+303.08/+45.42

+318.22/+32.49

+335.36/+23.16

+354.14/+18.41

+12.40/+19.43

Мерак

+312.20/+41.27

+327.13/+30.27

+344.12/+23.14

+2.14/+21.09

+19.33/+24.22

Дубхе

+317.57/+44.56

+330.40/+34.58

+345.40/+28.26

+1.44/+26.30

+17.10/+29.18

В Приложении №2 собраны снимки экрана, где показано изменение местоположения звезд созвездия с июня по октябрь 2017.

5. Выводы и заключение

В горизонтальной системе координат одной координатой является либо высота светила h, другой координатой является азимут A. Высотой h светила называется дуга от горизонта до направления на светило. Высоты отсчитываются в пределах от 0° до +90° и от 0° до −90° в одну или другую сторону от горизонта. Азимутом A светила называется угол между определенной точке на горизонте (называемой точкой юга) направление на светило. Азимуты отсчитываются в сторону суточного вращения небесной сферы, то есть к западу от точки юга, в пределах от 0° до 360.

Числа в таблице наблюдений обозначают как раз Азимут и высоту положения звезды в угловых градусах ° и минутах '. Например, углы +281.46/+58.21 означают азимут 281°46'+58°21'.

В результате наблюдений мы можем сделать выводы, что:

- положение звезд относительно друг друга, т.е. сами очертания созвездий не изменяется. Действительно, сколько-нибудь заметное изменение формы созвездий можно наблюдать только на очень больших промежутках времени – сотни или даже тысячи лет.

- в начальную дату наблюдения в июне в указанный момент времени созвездие находилось почти на Западе, сильно наклоненным к горизонту. Пройдя через точку расположения почти горизонтально к горизонту в августе, оно вновь начало поворачиваться углом к горизонту, но уже в противоположном направлении. В сентябре в момент времени наблюдения оно находится строго на севере.

- перемещение созвездия по небосводу происходит как в течение суток в результате суточного вращения земли, так и в результате годичного вращения Земли вокруг Солнца. В связи с чем, следующим этапом я планирую изучить отдельно, как влияет на положение созвездия суточное вращение и годичное вращение Земли.

6. Список использованной литературы и источников
  1. Колесников Ю.В. Космос – Земле. - М.: Детская литература, 1987. 127с.

  2. Энциклопедия для детей: Космонавтика. 2-е изд./ред.коллегия М.Аксенова и др.-М.: Аванта+, 2007. 448с.

  3. Почему? Вселенная. Веселая энциклопедия в комиксах. - М.: Диалектика, 2009. 160с.

  4. Перельман Я.И. Занимательная астрономия. 7-е изд. - М.: Гос. изд-во техн.-теоретич. лит., 1954. - 212 с.

  5. Клушанцев П. «О чем рассказал телескоп»

  6. Инструкция к телескопу Levenhuk Strkike 80NG

  7. http://www.vseznaika.org/kosmos/kak-drevnie-lyudi-predstavlyali-sebe-vselennuyu/

  8. http://mks-onlain.ru/planet/mercury/

  9. http://minspace.ru/Education/edu4astr18.html

  10. https://www.solarsystemscope.com/

  11. http://www.infuture.ru/article/5269

  12. https://ru.wikipedia.org/

  13. https://www.4glaza.ru/optica/articles/publications/00006.pdf

  14. youtube канал Cosmos+ Астрономия для начинающих https://www.youtube.com/user/cosmosalexfordrus

7. Приложение №1 Снимки экрана Stellarium с примерами ориентации в звездном небе

На данном снимке экрана показано как найти Полярную звезду в созвездии Малой медведицы по звездам Мерак и Дубхе созвездия Большой медведицы.

На данном снимке экрана показано как найти звезду Альдебаран в созвездии Тельца по Поясу Ориона в созвездии Ориона.

8. Приложение №2 Снимки экрана Stellarium, показывающие изменения местоположения созвездия Большой медведицы с июня по октябрь 2017 г.