IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ НА НЕБОСВОДЕ ПОЛОЖЕНИЯ СОЗВЕЗДИЯ БОЛЬШОЙ МЕДВЕДИЦЫ В ТЕЧЕНИЕ ВРЕМЕНИ НАБЛЮДЕНИЯ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Дельмухаметов Н.О. 1

---

1МАОУ "Лицей №42 г.Уфы"

Хамидуллина О.З. 1

---

1МАОУ "Лицей №42 г.Уфы"

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

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.

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.

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

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

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.

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

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

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.

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

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

Технические характеристики Levenhuk Strike 80 NG

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.

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.

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

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.

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

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.