астрометрия

ЗВЁЗДЫ И СОЗВЕЗДИЯ. При наблюдении за звёздным небом создаётся зрительное впечатление о том, что звёзды и созвездия располагаются на воображаемой небесной сфере. Многие из созвездий имеют форму, которую легко запомнить и зарисовать (крест — созвездие Лебедя, ковш — созвездие Большой Медведицы, буква W — созвездие Кассиопеи). Найти эти же фигуры на звёздном небе можно не только в следующие вечера, но и через несколько лет. Они могут оказаться не в той же части неба, где мы их обнаружили в первый раз, но ни их очертания, ни яркость составляющих их звёзд не изменятся. Если бы первые астрономы — жрецы древнего Египта и Вавилона — смогли в наши дни взглянуть на небо, они не заметили бы на нём никаких изменений. Положения звёзд относительно друг друга не изменяются, поэтому их часто называют неподвижными. Наиболее заметные группы звёзд объединили в созвездия, присвоив им имена мифических героев (Геркулес, Орион, Цефей и др.) и животных (Телец, Гидра, Заяц и др.). При неизменности взаимного расположения звёзд знание созвездий позволяло античным астрономам создавать звёздные карты и атласы, быстро находить те или иные звёзды и небесные тела.

Чтобы легче было ориентироваться среди звёзд, древнегреческий астроном Гиппарх, живший во II в. до н. э., присвоил звёздам определённые звёздные величины в зависимости от яркости их блеска. Самые яркие — звёзды первой величины — обозначают 1^m, а самые слабые, но ещё видимые глазом, — 6^m. За последние двадцать веков астрономы научились более точно определять звёздные величины. Сейчас очень яркие звёзды определяют через нулевую и даже отрицательную звёздную величину. Наиболее яркие звёзды на небе имеют собственные имена, в основном заимствованные из арабских источников. В большинстве случаев астрономы обозначают звёзды в созвездии буквами греческого алфавита в порядке уменьшения яркости этих звёзд. Так, летом и осенью по вечерам высоко над головой видно созвездие Лебедя, самую яркую звезду которого — α Лебедя — называют Денеб (от араб. аль джанаб аль даджаджах — хвост курицы, так как в древности созвездие Лебедя во многих странах представляли в виде курицы). Её звёздная величина 1,25^m. Самая яркая звезда земного неба Сириус (α Большого Пса) имеет звёздную величину –1,6^m. Чтобы «почувствовать» звёздные величины, достаточно осенью посмотреть в область неба вблизи зенита, т. е. вертикально вверх. Вблизи зенита видно созвездие Лебедя. Западнее находится самая яркая звезда северного неба — Вега (α Лиры), блеск которой 0,14^m. Над точкой юга расположен Альтаир (α Орла). Эти три яркие звезды — Денеб, Вега и Альтаир — расположены в вершинах так называемого летне-осеннего треугольника.
Семь звёзд Большой Медведицы, которые осенью находятся невысоко над горизонтом на северо-западе, имеют блеск примерно 2^m. По виду это созвездие скорее похоже на телегу или ковш с ручкой. Зимой наиболее заметным является созвездие Ориона. Его ярчайшая звезда — Бетельгейзе (α Ориона), что в переводе с арабского означает «рука великана» — звезда красного цвета (0,92^m), а звезда β Ориона — Ригель (от араб. Ригель аль гебар — нога великана) — бело-голубой сверхгигант (0,12^m). Контур из девяти ярчайших звёзд этого созвездия действительно похож на человека, перевязанного поясом. Пояс из трёх звезд указывает на самую яркую звезду земного неба Сириус (α Большого Пса). Его звёздная величина отрицательна и равна –1,4^m, расположен он низко у горизонта. Весной вблизи зенита наряду с Большой Медведицей и Малой Медведицей можно увидеть созвездие Волопаса. Ярчайшая звезда в этом созвездии — Арктур — имеет блеск 0,24^m. Эту звезду и само созвездие Волопаса легко найти на продолжении хвоста Большой Медведицы.

ПОЛЯРНАЯ ЗВЕЗДА. Полярную звезду (α Мало дицы) легко найти на продолжении линии о крайних звёзд β и α ковша Большой Медведицы В течение суток все звёзды небесной сферы щаются вокруг Полярной звезды, которая одна остаётся на месте. Кажущееся явление вращения небесной сферы вокруг Полярной звезды отражает действительное вращение земного шара вокруг своей оси. Ось, параллельная оси видимого вращения небесной сферы, называют осью мира. Ось мира пересекает небесную сферу в двух полюсах мира.

ЗОДИАКАЛЬНЫЕ СОЗВЕЗДИЯ. ЭКЛИПТИКА. Осо среди созвездий занимают 12 зодиакальных с через которые проходит годичный путь Солнца тика. Так, в марте Солнце движется по созвезд мае — Тельца, в августе — Льва, в ноябре — Скор иона и т.д. Наряду со звёздами на небе наблюдаются планеты, которые медленно перемещаются среди неподвижных звёзд, оправдывая своё название: слово планетас в переводе с греческого означает «блуждающая звезда».

ЭКВАТОРИАЛЬНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ. В настоящее время для ориентации среди звёзд астрономы используют небесные координаты, среди которых особое место занимает экваториальная система координат. В её основе лежит небесный экватор — проекция земного экватора на небесную сферу. Эклиптика и экватор пересекаются в точках весеннего и осеннего равноденствия, в них Солнце бывает соответственно в дни весеннего и осеннего равноденствия, когда продолжительность дня равна продолжительности ночи. Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб и служит начальной точкой, от которой в направлении против часовой стрелки отсчитывается координата прямое восхождение, которую обычно обозначают буквой α. Эта координата является аналогом долготы в географических координатах. В астрономии принято прямое восхождение измерять в часовой мере, а не в градусной. Принято, что полная окружность составляет 24 ч. Вторая координата светила — склонение — обозначается буквой δ и является аналогом широты; измеряют её в градусной мере. Так, звезда Альтаир (α Орла) имеет следующих координаты: α = 19ч48м 18с ; δ = +8°44′. Измеренные координаты звёзд хранят в каталогах. По ним строят звёздные карты, которые используются при поиске нужных светил. Астрономы пользуются ещё одной координатой звёзд — часовым углом (t), который измеряется дугой QM1 и меняется со временем.

ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ. На практике часто используют горизонтальную систему координат, которая непосредственно связана с наблюдателем и его местоположением на поверхности Земли. В этой системе координат основной линией является горизонт, а точнее — математический горизонт. Найти эту линию на небесной сфере легко. Для этого вначале нужно провести вертикальную линию. Это можно сделать с помощью отвеса. Эта линия пересечёт небесную сферу в точке зенита Z как раз у нас над головой. Плоскость, перпендикулярная вертикальной линии, — плоскость горизонта, а линия пересечения этой плоскости с небесной сферой — математический горизонт. Небесный экватор пересекает горизонт в двух точках: востока (E — East) и запада (W — West). Большой круг небесной сферы, который проходит через зенит и полюсы мира, называют небесным меридианом. Небесный меридиан пересекает горизонт в точках севера (N — North) и юга (S — South). Угловое расстояние светила от горизонта называется высотой и обозначается h (эта координата аналогична географической широте). Высота измеряется в градусной мере от 0 до +90°. Если светило под горизонтом, то высота отрицательная. От точки юга вдоль горизонта по часовой стрелке (к западу) отсчитывается вторая координата светила — азимут A (эта координата аналогична географической долготе). Азимут также измеряется в градусной мере от 0 до 360°. Высота hp полюса мира над горизонтом называется широтой места ϕ. Итак, горизонтальные координаты полюса мира: высота (широта) hp = ϕ, азимут (долгота) A = 180°. Горизонтальная система координат удобна для измерений, но неудобна тем, что из-за суточного вращения небесной сферы координаты светил непрерывно меняются. Светила восходят, поднимаются до максимальной высоты и заходят. При восходе и заходе светило имеет высоту h = 0°. Максимальную высоту светило имеет, когда пересекает небесный меридиан над точкой юга. Это явление называют верхней кульминацией. Когда светило имеет минимальную высоту над горизонтом, то говорят о нижней кульминации. Если светила не заходят в данном месте, то верхняя и нижняя кульминации происходят над горизонтом. Если светила невосходящие и находятся всегда под горизонтом, то верхняя и нижняя кульминации происходят всегда под горизонтом. У звёзд, которые восходят и заходят, верхняя кульминация происходит над горизонтом, а нижняя — под горизонтом. Например, в Москве высота полюса мира равна hp = ϕ = 55° 45′. Все светила, у которых склонение δ > ϕ = 55° 45′, в Москве не заходят, а светила, у которых δ < –55° 45′, в Москве никогда не восходят — это звёзды и созвездия Южного полушария, находящиеся около Южного полюса мира.

ВИДИМОЕ ДВИЖЕНИЕ ПЛАНЕТ. Наблюдая за движением планет в течение длительного времени, можно заметить, что планеты в основном перемещаются с запада на восток, не отходя далеко от эклиптики, постоянно находясь в пределах пояса зодиакальных созвездий. Это движение планет, похожее на движение Солнца и Луны среди звёзд, называют прямым движением. В движении каждой планеты время от времени наступают остановки, получившие название стояний, после которых планета начинает двигаться среди звёзд в обратном направлении, т. е. с востока на запад. Это обратное, или попятное, движение длится несколько недель или месяцев, затем следует новая остановка (новое стояние), после чего планета продолжает своё прямое движение к востоку. Таким образом, видимый путь планет на небе получается петлеобразным или зигзагообразным. У Меркурия дуга попятного движения составляет около 13°, у Марса — около 15°, у Юпитера — немного более 10°. Петлеобразные участки видимого пути планет могут находиться в разных зодиакальных созвездиях. Весь пояс зодиакальных созвездий Марс обходит за 687 суток, Юпитер — за 12 лет, а Сатурн — за 29,5 лет. Эти три планеты периодически бывают вблизи Солнца и тогда не видны; затем постепенно отступают от него к западу и в области неба, противоположной Солнцу, описывают очередную петлю. В зависимости от расположения относительно Солнца эти планеты видны в различные часы тёмного времени суток, в том числе и на протяжении всей ночи. Меркурий и Венера всегда находятся вблизи Солнца, удаляясь от него попеременно к западу и к востоку не более чем на 28° (Меркурий) и 48° (Венера). Благодаря близости к Солнцу эти две планеты видны только в восточной области неба под утро, до восхода Солнца, либо в западной стороне по вечерам, вскоре после захода Солнца. Таким образом, видимое движение Меркурия и Венеры значительно отличается от видимого пути Марса, Юпитера и Сатурна. Перемещение же Солнца и Луны на фоне звёзд происходит по большим кругам всегда в прямом направлении.

НЕРАВНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ СОЛНЦА СРЕДИ ЗВЁЗД. Кроме знакомого всем с детства суточного движения Солнца по небу, наблюдается и годичное перемещение нашего светила по небесной сфере вдоль некоторой линии, называемой эклиптикой. Эклиптика — проекция земной орбиты на небесную сферу. Эта линия проходит через 12 зодиакальных созвездий: в мае Солнце движется по созвездию Тельца, в июне — Близнецов, в августе — Льва, в ноябре — Скорпиона и т.д. Если проследить за движением Солнца по эклиптике в течение года, то обнаружится его неравномерность. Действительно, 21 марта, в день весеннего равноденствия, Солнце находится на эклиптике в точке — точке весеннего равноденствия. Далее, перемещаясь по эклиптике, 22 июня Солнце проходит точку летнего солнцестояния — . В этот день продолжительность дня в Северном полушарии максимальна. Далее, пройдя дугу в 180° по эклиптике, 22 сентября Солнце пересекает точку осеннего равноденствия . 22 декабря Солнце проходит точку зимнего солнцестояния ; продолжительность этого дня минимальна. Пройдя полную окружность по эклиптике, Солнце завершает своё годичное движение по зодиакальным созвездиям в точке весеннего равноденствия. Измерения видимого углового диаметра Солнца в течение года показали, что в начале января он максимален и составляет около 32°5′. В начале июля он минимален и составляет 31°5′. Так как движение Солнца по эклиптике отражает движение Земли вокруг Солнца, это означает, что зимой Солнце к нам ближе, чем летом. Правда, изменение расстояния до Солнца в течение года настолько мало, что не оказывает влияния на смену сезонов на Земле. Путь Луны среди звёзд похож на солнечный, но значительно сложнее.

ДВИЖЕНИЯ ЛУНЫ. Наблюдая несколько вечеров подряд положение Луны среди звёзд, можно заметить, что она смещается по небесной сфере с запада на восток, как и Солнце. Каждый день она восходит и заходит позже, чем накануне, почти на 52 мин. Сдвигается Луна в ту же сторону, что и Солнце, но значительно быстрее: всего за 27,3 суток она описывает полный круг и возвращается в то же место среди звёзд. Этот промежуток времени равен периоду обращения Луны вокруг Земли; он получил название звёздного или сидерического месяца (периода). В то же время Луна медленно вращается вокруг своей оси в прямом направлении с периодом, равным сидерическому месяцу, вследствие чего она постоянно повёрнута к Земле одной стороной. Поэтому с Земли всегда видно одно полушарие Луны. Обратную её сторону впервые удалось увидеть только 7 октября 1959 г., когда советская автоматическая станция «Луна-3» облетела Луну и сфотографировала её обратную сторону, передав снимки на Землю. Видимый путь Луны среди звёзд представляет собой круг, наклонённый к плоскости эклиптики под углом i, который составляет примерно 5°. Таким образом, Луна может отклоняться от эклиптики всего на 5°, поэтому она, подобно Солнцу, практически не выходит из пояса зодиакальных созвездий. Плоскость лунной орбиты пересекается с плоскостью земной орбиты (плоскостью эклиптики) по линии узлов, проходящей через оба лунных узла и центр Земли: восходящий узел лунной орбиты и нисходящий узел.

ФАЗЫ ЛУНЫ. Луна, подобно Земле, представляет собой тёмное непрозрачное шаровидное тело, светящее отражённым солнечным светом. Солнце всегда освещает приблизительно половину этого шара, другая половина остаётся тёмной. Так как к Земле обычно бывают обращены и часть светлого видимого полушария, и часть тёмного, то Луна большую часть времени кажется нам неполною, представляя ту или иную фазу.
Лунной фазой (от греч. фаз вается вид Луны на небе. На рисунке показаны пол относительно Земли и Солнца ных фаз. Солнце находится леко справа вверху. Так как д Солнца в 400 раз больше л и находится оно в 400 раз да Луны, то его лучи можно счи параллельными. Во время новолуния, к Луна проходит между Землё Солнцем, к нам обращена её освещённая тёмная сторона. Л тогда не видна. Когда она пере нется в следующее положени стрелке), к нам повернётся у полоска светлого полушария ва). В это время Луна видна в в кого серпа, обращённого выпу вправо. Говорят, что мы видим «растущую» Луну, которая п вечерние часы после захода Со Через неделю после новолу ровно половина освещённого полушария. Мы видим тогда освещённой правую половину лунного диска. Эта фаза называется первой четвертью. Затем к нам поворачивается всё большая и ´ большая часть освещённого по ´ лушария, пока ещё через неделю не наступит полнолуние. В это время Солнце, Луна и Земля находятся почти на одной прямой. После этого Луна начинает убывать: с каждым днём скрывается от наших глаз всё бол´ ьшая часть светлого полушария, и с правой стороны диска появляется всё больший ´ «ущерб». Через неделю после полнолуния наступает последняя четверть: мы видим с Земли освещённой левую половину лунного диска. Наконец, Луна принимает форму серпа, обращённого выпуклостью влево (говорят, что мы видим «старую» Луну; она видна в утренние часы перед восходом Солнца), и вскоре исчезает. Затем опять наступает новолуние. Интервал времени между двумя последовательными новолуниями составляет 29,5 суток и называется синодический месяц (период). Синодический месяц лежит в основе лунного календаря.

СОЛНЕЧНЫЕ ЗАТМЕНИЯ. При движении Луна заслоняет (покрывает) звёзды зодиакальных созвездий, по которым проходит лунный путь. Значительно реже происходят покрытия Луной планет, оказавшихся на небе в непосредственной близости к лунному пути. Периодически Луна частично или полностью заслоняет Солнце — тогда происходит солнечное затмение.
Солнечные затмения бывают только во время новолуния. Они случались бы каждое новолуние, если бы Луна двигалась по эклиптике. Но вследствие наклонения лунной орбиты Луна в новолуние чаще проходит выше или ниже Солнца. Очевидно, затмение возможно только тогда, когда Луна во время новолуния находится недалеко от эклиптики т е вблизи одного из узлов лунной орбиты тики, т. е. вблизи одного из узлов лунной орбиты — точек пересечения лунного пути с эклиптикой. Так как Луна движется по эллиптической орбите, она бывает то ближе, то дальше от Земли, поэтому её видимый угловой диаметр бывает то больше, то меньше солнечного. Если во время затмения Луна находится ближе к Земле и её видимый размер больше солнечного, то лунный диск полностью закрывает солнечный и наблюдается полное солнечное затмение. Если во время затмения Луна находится в более далёкой части орбиты и её угловой диаметр меньше солнечного, то во время затмения края солнечного диска остаются незакрытыми и наблюдается яркое кольцо вокруг тёмного диска Луны — кольцеобразное затмение. Полные солнечные затмения случаются довольно часто (в среднем 13 затмений за 18 лет), но каждое затмение может наблюдаться лишь в сравнительно узкой полосе земной поверхности. Поэтому в конкретном месте Земли это явление случается очень редко — один раз в десятки и сотни лет.
Так, например, в Москве полные солнечные затмения происходили 11 августа 1123 г., 20 марта 1140 г., 7 июня 1415 г., 25 февраля 1476 г., 19 августа 1887 г. Очередное полное затмение Солнца в Москве продолжительностью около 7 минут произойдёт 16 октября 2126 г.

ЛУННЫЕ ЗАТМЕНИЯ. В отличие от солнечных, лунные затмения представляют собой физическое явление прохождения Луны сквозь земную тень. Во время полного затмения Луна видна на небе, только её свет заметно слабее, чем обычно, и имеет тёмно-красный цвет. Это объясняется тем, что солнечные лучи, проходя через земную атмосферу, преломляются в ней и таким образом попадают на поверхность Луны. На протяжении календарного года происходит от 2 до 5 солнечных затмений и от 0 до 3 лунных затмений.
Ещё древние вавилоняне заметили, что все затмения повторяются в том же порядке примерно через 18 лет и 11 дней. Этот период у древних вавилонян назывался циклом Сароса (в переводе с египетского сарос — повторение), им пользовались для предсказаний затмений.