§ 95. Универсальный инструмент
Одним из основных угломерных инструментов, позволяющим в любой точке земной поверхности измерить горизонтальные координаты светила, является универсальный инструмент (рис. 70), который состоит из небольшой астрономической трубы, имеющей возможность поворачиваться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей горизонтальной и вертикальной. Установка осей в плоскости математического горизонта и в вертикальной плоскости производится с помощью уровней и регулировочных винтов.
Углы поворота трубы около той и другой оси отсчитываются по двум кругам или лимбам - вертикальному и горизонтальному. Вертикальный круг соединен с горизонтальной осью и служит для отсчетов углов в вертикальной плоскости; горизонтальный круг соединен с вертикальной осью и по нему отсчитываются углы в горизонтальной плоскости. Круги делятся штрихами на градусы, а каждый градус - на 2, 3, 6 или 12 частей, т.е. между двумя соседними штрихами содержится 30', 20', 10' или 5'. Обычно 10-градусные, а иногда и 5-градусные штрихи оцифровываются. Отсчеты каждого лимба производятся с помощью концентрического с ним круга, или части круга, на котором наносится нулевой штрих (указатель) для отсчета целых делений лимба. Для отсчета долей деления лимба служит верньер или нониус, позволяющий отсчитывать углы с точностью до 30", 20", 10" или 5", смотря по устройству верньера. Все отсчеты производятся сквозь лупу, а иногда и в микроскоп, так как деления кругов очень мелки. Если центр лимба не совпадает с центром оси вращения, то отсчет по одному верньеру будет ошибочен. Эта ошибка в отсчете называется ошибкой эксцентриситета. Она исключается при отсчетах лимба в двух диаметрально противоположных точках круга, из которых берется среднее арифметическое. Поэтому все угломерные инструменты имеют по два верньера для каждого лимба. В идеальном инструменте вертикальная и горизонтальная оси должны быть взаимно перпендикулярны, визирная линия перпендикулярна к горизонтальной оси, а центры осей вращения должны проходить точно через центры разделенных кругов. Но идеальных инструментов не бывает. Поэтому одной из важнейших задач практической астрономии является изучение всех ошибок инструментов и разработка методов их исключения из результатов наблюдений, или учета их влияния на измеряемые величины. В дальнейшем мы будем считать инструменты безошибочными, что равносильно тому, что их инструментальные ошибки учтены. Универсальные инструменты изготовляются сравнительно небольших размеров. Диаметры разделенных кругов находятся в пределах от 10 до 30 см, а фокусные расстояния их труб - от 10 до 50 см. Если в универсальном инструменте вертикальный круг разделен более точно, чем горизонтальный, то такой инструмент называется вертикальным кругом. Если горизонтальный круг разделен точнее вертикального, то инструмент называется теодолитом. Последний употребляется главным образом в геодезических работах при измерении горизонтальных углов. Универсальный инструмент употребляется почти исключительно как переносный в различного рода экспедициях для определения главным образом географических координат места наблюдения (l и j ) и азимутов земных предметов. Если универсальный инструмент безошибочен и с помощью уровней установлен так, что его горизонтальная ось находится в плоскости математического горизонта, то при вращении трубы вокруг этой оси визирная линия трубы будет поворачиваться в вертикальной плоскости. Обозначим отсчет вертикального круга при направлении трубы в зенит через Z0. Этот отсчет называется местом нуля круга, или местом зенита. Для определения места зенита надо направить трубу, при положении вертикального круга справа (или слева) от нее, на неподвижный отдаленный предмет, на некоторой высоте над горизонтом. Записав отсчет вертикального круга КП (или КЛ ), надо повернуть трубу вокруг вертикальной оси на 180°, затем повернуть ее вокруг горизонтальной оси и снова направить на тот же предмет, и произвести отсчет вертикального круга КЛ (или КП). Легко видеть (рис. 71), что разность отсчетов КП - КЛ (или КЛ - КП, смотря по тому, в каком направлении оцифрован круг) равна удвоенному зенитному расстоянию предмета, т.е. 2z. Тогда
,
(6.16)
а место зенита на круге
(6.17)
Из этих двух формул следует:
z = ± (Z0 - КЛ)(6.18)
или
z = ± (KП - Z0).(6.19)
При наблюдениях светил, зенитные расстояния которых непрерывно меняются, пользоваться формулой (6,16) нельзя, так как отсчеты КП и КЛ делаются в разные моменты времени. Зенитные расстояния светил определяются по формуле (6.18) или (6.19), если Z0 заранее определено по земному предмету. Поворотом вертикального круга на оси можно добиться такого его положения, что Z0 будет близко к нулю, и тогда отсчет круга даст сразу зенитное расстояние любого предмета. Но сделать это с точностью до 1 невозможно, и при высокоточных измерениях применяется описанный выше способ измерения зенитных расстояний с предварительным определением точного значения места зенита Z0 . При наведении трубы на какой-либо предмет отсчет на горизонтальном круге будет указывать положение круга высоты этого предмета. Наведя трубу на второй предмет и отсчитав показание горизонтального круга, мы получим положение круга высоты второго предмета. Поэтому разность двух отсчетов горизонтального круга равна разности азимутов этих двух предметов. Для определения же азимута какого-либо предмета необходимо знать отсчет горизонтального круга при положении тpyбы в плоскости небесного меридиана (см. § 88).
§ 96. Секстант
При наблюдениях на море (с палубы корабля) или в воздухе (с борта самолета) пользуются переносным инструментом, называемым секстантом. Он не требует прочной установки, и при наблюдениях его держат в руках. Существенной особенностью этого инструмента является то, что визирование обоих предметов, между которыми измеряется угол, осуществляется не последовательно, а одновременно и заключается в совмещении изображений обеих наблюдаемых точек в поле зрения трубы. Секстант (рис. 72) состоит из металлической рамы с лимбом LL', представляющим часть окружности, немногим более 60° ; алидады a , вращающейся вокруг оси, проходящей через
центр лимба и перпендикулярной к нему; подвижного зеркала А, укрепленного на алидаде перпендикулярно к плоскости лимба; зрительной трубы Т, скрепленной с рамой; неподвижного зеркала В, прикрепленного к раме перпендикулярно к плоскости лимба на продолжении оптической оси трубы Т. Неподвижное зеркало В посеребрено только до половины его высоты; верхняя его часть прозрачна. Зеркало В и труба Т ориентируются на раме так, чтобы луч, идущий от середины подвижного зеркала А, после отражения от зеркала В шел по оси трубы. Принцип измерения секстантом угла между двумя объектами заключается в следующем (рис. 73). Луч от объекта М1 после двукратного отражения от зеркал А и В принимает направление ВТ, по которому он попадает в глаз наблюдателя. Это направление составляет с первоначальным направлением луча M1 угол q . Луч от объекта M2 , пройдя сквозь прозрачную часть зеркала В, попадет в глаз наблюдателя по тому же направлению ВТ. Следовательно, угол между лучами М1 и М2 будет также равен углу q . Последний же вдвое больше угла w между зеркалами A и В, так как Таким образом, когда изображения двух объектов совпадают в поле зрения трубы секстанта, то угол 9 между этими объектами равен удвоенному углу со между зеркалами, который может быть отсчитан по лимбу секстанта. Но чтобы каждый раз не удваивать значений этого угла, деления на лимбе оцифрованы числами, показывающими удвоенную величину угла w, т.е. непосредственно измеряемый угол 9 между объектами. Так, деления, последовательно отстоящие друг от друга на 1°, оцифрованы числами 0°, 2°, 4°, 6° и т.д. до 120°, при 60-градусной дуге. При измерении высоты светила с палубы корабля наблюдатель держит секстант в вертикальной плоскости так, чтобы сквозь прозрачную часть неподвижного зеркала видеть в середине поля зрения трубы линию видимого горизонта. Вращая алидаду a с подвижным зеркалом, сначала добиваются появления в поле зрения изображения светила, а затем совмещают это изображение с линией видимого горизонта и отмечают в этот момент показание часов, после чего отсчитывают показание лимба. Последний отсчет дает высоту светила над видимым горизонтом. Чтобы получить высоту светила относительно истинного, математического горизонта, необходимо учесть так называемое понижение горизонта. В авиационном секстанте роль видимого горизонта играет уровень, помещенный внутри прибора. При наблюдениях изображение светила совмещается с изображением пузырька уровня. Наблюдения с секстантом менее точны, чем с универсальным инструментом, зато они позволяют просто и быстро определить географические координаты с приемлемой в практике точностью. Секстанты специальной конструкции применяются при ориентировке космических кораблей с космонавтами на борту.
§ 97. Меридианный круг
Меридианный круг (рис. 74) состоит из астрономической трубы АВ, которая может вращаться только вокруг горизонтальной оси EW. Последняя лежит на прямоугольных вырезах (лагерах), прикрепленных к кирпичным или каменным столбам, установленным на солидном фундаменте. Горизонтальная ось меридианного круга должна быть направлена точно с востока на запад. Тогда труба будет располагаться и вращаться точно в плоскости небесного меридиана. На горизонтальную ось EW наглухо насажен круг CD (или два круга), вращающийся вместе с трубой АВ. На круге с очень большой точностью нанесены штрихи через каждые 2' или 4'. Отсчеты на круге производятся по неподвижному указателю М, укрепленному на столбе. Увеличение точности отсчета достигается с помощью микроскопа с измерительным приспособлением - микрометром, установленным рядом с неподвижным указателем. Микроскоп-микрометр позволяет измерять расстояние указателя от ближайшего деления круга, т.е. отсчитывать показания круга с точностью до 0",1. При точных измерениях таких микроскопов-микрометров устанавливают 2 или 4, располагая их на концах одного или двух диаметров круга. Когда труба меридианного круга направлена в зенит, то один из указателей должен находиться точно против нулевого деления круга. Тогда отсчет по этому указателю при наведении трубы на любое светило сразу даст зенитное расстояние этого светила или дополнение к зенитному расстоянию до 360°, в зависимости от того, в каком направлении оцифрован круг.
Если против указателя стоит нулевое деление круга, а труба при этом направлена в верхнюю точку небесного экватора, то отсчет по этому указателю при наведении трубы на светило сразу даст склонение светила или дополнение к нему до 360°. Первое или второе положение круга и указателя достигается поворотом круга на горизонтальной оси. Если же этого сделать почему-либо нельзя, то из специальных наблюдений определяют либо место зенита на круге Z0, либо место экватора Q0, а затем зенитное расстояние светила (или его склонение) получают по формулам, аналогичным формулам для универсального инструмента. Размеры меридианных кругов различны. Диаметры разделенных кругов могут быть от 0,5 до 1 м, длина трубы - от 1,5 до 3 м, а диаметр объектива трубы - от 10 до 20 см. Меридианный круг используется главным образом для определения экваториальных координат светил (a и d ). Поскольку труба меридианного круга может вращаться только в плоскости небесного меридиана, наблюдения каждого светила возможны только вблизи его кульминации. При этом крест нитей в фокальной плоскости трубы устанавливается так, чтобы изображение звезды двигалось по горизонтальной нити! Тогда отсчеты круга дадут либо склонение светила d , либо его зенитное расстояние z в момент кульминации, по которому можно вычислить склонение. Для определения прямого восхождения светила наблюдатель отмечает по часам момент пересечения светилом вертикальной нити креста, т.е. момент кульминации светила, поскольку вертикальная нить должна находиться точно в плоскости небесного меридиана. По этому моменту затем вычисляется прямое восхождение светила (см. § 90).
§ 98. Пассажный инструмент
Стационарный пассажный инструмент устроен совершенно так же, как и меридианный круг, только вместо точного разделенного круга на горизонтальную ось насажен небольшой круг - искатель, который служит для приближенной установки трубы на нужную высоту над горизонтом. Этот инструмент используется только для наблюдения моментов прохождения светил через меридиан, по которым затем вычисляются их прямые восхождения. Для определения точного времени, которое также получается из моментов прохождения светил через меридиан, употребляются небольшие переносные пассажные инструменты (рис. 75), которые, кроме размеров, отличаются от стационарных пассажных инструментов некоторыми конструктивными особенностями. Главная из них та, что с помощью особого приспособления горизонтальную ось вместе с трубой во время наблюдений одного и того же светила можно быстро переложить так, что восточный конец оси ляжет на западный лагер (подставку), а западный - на восточный. Такая перекладка необходима для исключения ошибок инструмента. Переносный пассажный инструмент, установленный в меридиане, используется главным образом для определения точного времени по звездам. Во время наблюдений отмечаются моменты прохождения звезд не только через одну центральную (среднюю) вертикальную нить, расположенную точно в меридиане, но и через ряд нитей до и после нее. Затем по известным расстояниям боковых нитей от центральной приводят все моменты времени к моменту прохождения звезды через центральную нить и берут среднее арифметическое из всех чисел, получая, таким образом, более точное значение момента кульминации звезды.
В фотоэлектрическом пассажном инструменте в фокальной плоскости объектива вместо сетки нитей устанавливается визирная решетка, представляющая собой непрозрачную пластину с рядом параллельных прозрачных щелей. Визирная решетка располагается так, чтобы изображение звезды двигалось в поле зрения перпендикулярно к ее щелям, позади которых располагается фотоумножитель (см. § 113). При движении звезды свет от нее, проходя поочередно щели решетки, попадает на фотоумножитель. Под действием света в анодной цепи фотоумножителя возникает фототок, моменты появления которого и регистрируются специальными приборами. Для наведения трубы на звезду фотоэлектрический пассажный инструмент снабжается дополнительной трубой - искателем. Фотоэлектрические наблюдения имеют существенное преимущество перед визуальными, так как они почти полностью свободны от ошибок, вносимых наблюдателем.
§ 99. Зенит-телескоп, призменная астролябия, фотографическая зенитная труба
Кроме основных инструментов, описанных в предыдущих параграфах, на современных обсерваториях для некоторых наблюдений используются специальные инструменты. Так, например, зенит-телескоп (рис. 76) служит для точного измерения малых разностей зенитных расстояний звезд вблизи зенита. Систематические наблюдения на зенит-телескопах ведутся главным образом для определения точных значений географической широты места наблюдения, с целью изучения движений полюсов Земли (см. § 74).
Призменная астролябия служит исключительно для наблюдения звезд на некоторой постоянной высоте h0 , обычно близкой к 60°. Схема призменной астролябии дана на рис. 77. Свет от звезды падает на верхнюю грань равносторонней треугольной призмы и на ртутный горизонт (поверхность ртути в плоском сосуде). Пройдя через верхнюю грань призмы и отразившись от ее нижней грани, лучи света от звезды попадают на объектив и, пройдя его и отразившись от двух зеркал, дают в фокальной плоскости объектива изображение звезды, движущееся вверх при увеличении высоты звезды. Лучи, отраженные от ртутного горизонта, падают на нижнюю грань призмы и, пройдя ее и отразившись от ее верхней грани, попадают в объектив и дают в его фокальной плоскости второе изображение звезды, движущееся вниз при увеличении высоты звезды. Наблюдение на призменной астролябии заключается в отметке момента, когда эти изображения совпадут. Это случится при достижении звездой альмукантарата h0 . Отмеченный момент времени и известная высота h0 позволяют вычислить географическую широту места наблюдения и точное местное время. Для увеличения точности наблюдений астролябия имеет специальную призму (призму Волластона), перемещая которую с помощью микрометрического винта, можно удерживать оба изображения звезды на постоянном расстоянии друг от друга. По записанным моментам от контактов барабана момент прохождения звездой альмукантарата h0 получается точнее. Для наблюдений в различных азимутах астролябия может вращаться около вертикальной оси. Фотографическая зенитная труба (ФЗТ) используется также для определения географической широты места наблюдения и точного времени. Устройство ФЗТ и наблюдения на ней принципиально отличаются от устройства и наблюдений на ранее описанных инструментах. Фотографическая зенитная труба состоит из неподвижной вертикальной трубы (рис. 78), оптическая ось которой располагается строго вертикально, и ртутного горизонта, помещенного под объективом, на расстоянии, несколько большем половины его фокусного расстояния.
Тогда лучи звезд, находящихся близко к зениту, пройдя объектив и отразившись от поверхности ртути, идут вверх и образуют изображения звезд немного ниже объектива. В этом месте, перпендикулярно к оптической оси, помещается фотопластинка, которая плавно передвигается часовым механизмом перпендикулярно к плоскости небесного меридиана. Наблюдения на ФЗТ состоят в том, что незадолго до кульминации избранной звезды открывают фотопластинку и, то двигая ее часовым механизмом со скоростью изображения звезды, то останавливая на некоторое время, получают несколько изображений звезды до меридиана (рис. 79, а, точки 1, 2, 3). Около момента кульминации объектив вместе с пластинкой поворачивают вокруг вертикальной оси точно на 180° и получают несколько изображений звезды после прохождения меридиана (рис. 79, б, точки 4, 5, 6).
Из измерений расстояний между рядами а и б и между изображениями звезды, и по отметкам времени, которые автоматически впечатываются на эту же пластинку, вычисляется время кульминации звезды и ее зенитное расстояние в этот момент. По этим данным, зная склонение и прямое восхождение звезды, определяют географическую широту места наблюдения и точное время.
§ 101. Задачи и основные разделы астрофизики
Цель астрофизики - изучение физической природы и эволюции отдельных космических объектов, включая и всю Вселенную. Таким образом, астрофизика решает наиболее общие задачи астрономии в целом. За последние десятилетия она стала ведущим разделом астрономии. Это не означает, что роль таких классических разделов как небесная механика, астрометрия и т.п. - уменьшилась. Наоборот, количество и значимость работ в традиционных областях астрономии в настоящее время также растет, но в астрофизике этот рост происходит быстрее. В целом астрономия развивается гармонически как единая наука, и направление исследований в различных ее разделах учитывает взаимные их интересы, в том числе и астрофизики. Так, например, развитие космических исследований частично способствовало возникновению нового раздела небесной механики - астродинамики. Построение космологических моделей Вселенной предъявляет особые требования к классическим задачам астрометрии и т.д. Как известно, за свою многовековую историю астрономия претерпела несколько революций, полностью изменивших ее характер. Одним из результатов этого процесса явилось возникновение и бурное развитие астрофизики. Особенно этому способствовало применение телескопа с начала XVII в., открытие спектрального анализа и изобретение фотографии в XIX в., возникновение фотоэлектрии, радиоастрономии и внеатмосферных методов исследования в XX в. Все это необычайно расширило возможности наблюдательной, или практической астрофизики, и привело к тому, что в середине XX в. астрономия стала всеволновой, т.е. получила возможность извлекать информацию практически из любого диапазона спектра электромагнитного излучения. Параллельно с развитием методов практической астрофизики, благодаря прогрессу в физике и особенно созданию теории излучения и строения атома, развилась теоретическая астрофизика. Ее цель - интерпретация результатов наблюдений, постановка новых задач исследований, а также обоснование методов практической астрофизики. Оба основные раздела астрофизики в свою очередь подразделяются на более частные. Разделение теоретической астрофизики, как правило, производится по объектам исследования: физика звезд, Солнца, планет, туманностей, космических лучей, космология и т.д. Разделы практической астрофизики обычно отражают те или иные применяемые методы: астрофотометрия, астроспектроскопия, астрофотография, колориметрия и т.д. Разделы астрофизики, основанные на применении принципиально новых методов, составившие эпоху в астрономии, и, как правило, включающие соответствующие разделы теоретической астрофизики, получили такие названия, как радиоастрономия, баллонная астрономия, внеатмосферная астрономия (космические исследования), рентгеновская астрономия, гамма-астрономия, нейтринная астрономия. Прежде чем перейти к описанию результатов астрофизических исследований, необходимо усвоить ряд основных определений и понятий. Этому и посвящена настоящая глава.
§ 102. Электромагнитное излучение, исследуемое в астрофизике
Как известно, видимый свет является частным видом электромагнитного излучения, которое испускается не непрерывно, а отдельными порциями (квантами), характеризующимися величиной своей энергии. Совокупность всех видов излучения называется спектром электромагнитного излучения. За единицу измерения энергии квантов обычно принимают электрон-вольт (эв). Это энергия, которую приобретает свободный электрон (т.е. электрический заряд е = 4,8Ч10-10 СГСЭ), ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в 1 вольт (в) = СГСЭ. Поэтому
Кванты видимого света обладают энергиями в 2-3 эв и занимают лишь небольшую область электромагнитного спектра, исследуемого в астрофизике, который простирается от значений энергии порядка Мэв (мега-, т.е. миллион электрон-вольт) для гамма-лучей до одной миллионной электрон-вольта (10-6 эв) для метровых радиоволн. Между этими крайними видами электромагнитного излучения последовательно располагаются рентгеновские, ультрафиолетовые, визуальные (видимые) и инфракрасные лучи (табл. 1). Электромагнитное излучение обладает волновыми свойствами, проявляющимися в таких явлениях, как интерференция и дифракция. Поэтому, как и всякое колебание, его можно характеризовать длиной волны l и частотой n , произведение которых равно скорости распространения колебаний:
c = l n .(7.1)
У всех электромагнитных волн скорость распространения в вакууме одинакова и составляет 299 792 км/сек, или приближенно, с = 3,00 Ч1010 см/сек. Энергия квантов в пропорциональна частоте n электромагнитных колебаний (т.е. обратно пропорциональна длине волны l ) . Коэффициентом пропорциональности является постоянная Планка h = 6,625 Ч 10 -27 эргЧсек, так что
(7.2)
Кванту с энергией в 1 эв соответствует длина волны l1 = 12 400 Е = 1,24 мк и частота n1 = 2,42 Ч 1014 гц . Области видимых лучей соответствует интервал длин волн примерно от 3900 Е (фиолетовая граница видимого спектра) до 7600 Е (красная граница). Между ними располагаются все цвета видимого спектра: фиолетовый (3900-4500 Е), синий (4500-4800 Е), голубой (4800-5100 Е), зеленый (5100-5700 Е), желтый (5700-850 Е), оранжевый (5850-6200 Е) и красный (6200-7600 Е). Указанные границы условны, и в действительности цвета излучения плавно переходят друг в друга. Излучение в видимой области спектра играет особенно большую роль в астрономии, так как оно сравнительно хорошо пропускается земной атмосферой. В остальных участках спектра поглощение сказывается значительно сильнее, так что космическое излучение проникает только до некоторого уровня земной атмосферы, изображенного на рис. 84. Сильнее всего атмосфера поглощает коротковолновую область спектра, где находятся ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Все они, кроме близкого ультрафиолета (3100-3900 Е), доступны наблюдениям только с ракет и искусственных спутников, оснащенных специальной аппаратурой. В сторону длинных волн от видимой области спектра расположены инфракрасные лучи и радиоволны. Большая часть инфракрасных лучей, начиная примерно с длины волны в 1 микрон (мк), поглощается молекулами воздуха, главным образом молекулами водяных паров и углекислого газа. Наблюдениям с Земли доступно излучение только в некоторых, сравнительно узких окнах видимости между полосами молекулярного поглощения. Остальные участки спектра становятся доступными наблюдениям со сравнительно небольших высот и могут изучаться с аэростатов и шаров-зондов или (частично) на некоторых высокогорных обсерваториях.