Csillagászat – égitestek, galaxisok és a világegyetem tudománya

Ősi

A korai csillagászok csak a szemüket használták a csillagok megfigyelésére. Vallási okokból térképeket készítettek a csillagképekről és a csillagokról, és naptárakat az évszakok kiszámításához. A korai civilizációk, például a maják és az ókori egyiptomiak egyszerű csillagvizsgálókat építettek, és térképeket rajzoltak a csillagok helyzetéről. A Földnek a világegyetemben elfoglalt helyéről is kezdtek gondolkodni. Az emberek sokáig úgy gondolták, hogy a Föld a világegyetem középpontja, és hogy a bolygók, a csillagok és a Nap körülötte keringenek. Ezt geocentrizmusnak nevezik.

Az ókori görögök mérésekkel próbálták megmagyarázni a Nap és a csillagok mozgását. Egy Eratoszthenész nevű matematikus volt az első, aki megmérte a Föld méretét, és bebizonyította, hogy a Föld egy gömb. Egy másik, Arisztarkhosz nevű matematikus elmélete szerint a Nap a középpontban van, a Föld pedig körülötte mozog. Ez az elmélet a heliocentrizmus néven ismert. Csak néhány ember gondolta, hogy ez helyes. A többiek továbbra is a geocentrikus modellben hittek. A csillagképek és csillagok legtöbb neve az akkori görögöktől származik.

Az arab csillagászok a középkorban számos előrelépést tettek, többek között tökéletesítették a csillagtérképeket és a Föld méretének becslését. A görög könyvek arabra fordításával a régiektől is tanultak.

A reneszánsztól a modern korig

A reneszánsz idején egy Nikolausz Kopernikusz nevű pap a bolygók mozgását vizsgálva úgy vélte, hogy nem a Föld a középpont. Korábbi munkái alapján azt mondta, hogy a Föld egy bolygó, és az összes bolygó a Nap körül mozog. Ez hozta vissza a régi elképzelést, a heliocentrizmust. Egy Galileo Galilei nevű fizikus saját távcsöveket épített, és azok segítségével először vizsgálta meg közelebbről a csillagokat és a bolygókat. Egyetértett Kopernikusszal. A katolikus egyház úgy döntött, hogy Galilei tévedett. Élete hátralévő részét házi őrizetben kellett töltenie. A heliocentrikus elképzeléseket hamarosan továbbfejlesztette Johannes Kepler és Isaac Newton, aki feltalálta a gravitáció elméletét.

Galilei után az emberek jobb távcsöveket készítettek, amelyekkel távolabbi objektumokat, például az Uránusz és a Neptunusz bolygókat is meg tudták figyelni. Azt is látták, hogy a csillagok a mi Napunkhoz hasonlóak, de különböző színűek és méretűek. Több ezer más távoli objektumot is láttak, például galaxisokat és ködöket.

Modern korszak

Az 1920 utáni 20. században jelentős változások következtek be a csillagászatban.

Az 1920-as évek elején kezdték elfogadni, hogy a galaxis, amelyben élünk, a Tejútrendszer, nem az egyetlen galaxis. Más galaxisok létezését Edwin Hubble állapította meg, aki az Androméda-ködöt egy másik galaxisként azonosította. Hubble volt az is, aki bebizonyította, hogy a világegyetem tágul. Sok más galaxis volt nagy távolságban, és ezek távolodnak, távolodnak a mi galaxisunktól. Ez teljesen váratlan volt.

1931-ben Karl Jansky felfedezte a Földön kívülről érkező rádiósugárzást, amikor megpróbálta elkülöníteni a rádiótávközlés zajforrását, ami a rádiócsillagászat születését és az első kísérleteket jelentette az elektromágneses spektrum egy másik részének felhasználására az égbolt megfigyelésére. Az elektromágneses spektrum azon részei, amelyeket a légkör nem blokkolt, mostantól megnyíltak a csillagászat előtt, és így további felfedezésekre nyílt lehetőség.

Az Univerzumra nyíló új ablak megnyitásával teljesen új dolgokat fedeztek fel, például pulzárokat, amelyek rendszeresen rádióhullámokat küldtek az űrbe. A hullámokról először azt gondolták, hogy idegen eredetűek, mivel az impulzusok olyan szabályosak voltak, hogy ez mesterséges forrásra utalt.

A 2. világháborút követő időszakban egyre több olyan obszervatórium létesült, ahol nagy és pontos távcsöveket építettek és üzemeltettek jó megfigyelőhelyeken, általában kormányok által. Bernard Lovell például a Jodrell Bankben megkezdte a rádiócsillagászatot a megmaradt katonai radarberendezések felhasználásával. 1957-re a helyszínen állt a világ legnagyobb irányítható rádióteleszkópja. Hasonlóképpen, az 1960-as évek végén kezdték el építeni az erre a célra szolgáló obszervatóriumokat a hawaii Mauna Keán, amely nagy magasságának és tiszta égboltjának köszönhetően jó hely a látható és infravörös távcsövek számára.

A csillagászat következő nagy forradalma a rakétatechnika születésének köszönhető. Ez tette lehetővé, hogy a távcsöveket műholdakon helyezzék el a világűrben.

Az űrteleszkópok a történelemben először tették lehetővé a teljes elektromágneses spektrumhoz való hozzáférést, beleértve a légkör által eddig blokkolt sugarakat is. A röntgensugarak, a gammasugarak, az ultraibolya fény és az infravörös spektrum egyes részei mind megnyíltak a csillagászat előtt a megfigyelő teleszkópok indításával. A spektrum más részeihez hasonlóan új felfedezések születtek.

Az 1970-es évektől kezdve műholdakat indítottak, amelyeket egyre pontosabb és jobb műholdak váltottak fel, így az égboltot az elektromágneses spektrum szinte minden részén feltérképezték.

A felfedezéseknek nagyjából két típusa van: testek és jelenségek. A testek a világegyetemben lévő dolgok, legyen az egy bolygó, mint a Földünk, vagy egy galaxis, mint a Tejútrendszerünk. A jelenségek az Univerzumban zajló események és történések.

Testek

Az egyszerűség kedvéért ezt a részt aszerint osztottuk fel, hogy hol találhatók ezek a csillagászati testek: a csillagok körül találhatóak a naptestek, a galaxisok belsejében lévők a galaktikus testek, minden más nagyobb test pedig a kozmikus testek.

Solar

• Bolygók
• Aszteroidák
• Comets

Galaktikus

• Csillagok

Diffúz objektumok:

• Nebulák
• Klaszterek

Kompakt csillagok:

• Fehér törpe csillagok
• Neutroncsillagok
• Fekete lyukak

Kozmikus

• Galaxisok
• Galaxis halmazok
• Szuperklaszterek

Jelenségek

A robbanásszerű események azok, amikor hirtelen változás következik be az égbolton, amely gyorsan eltűnik. Azért hívják ezeket kitöréseknek, mert általában nagy robbanásokhoz kapcsolódnak, amelyek "kitörő" energiát termelnek. Ezek közé tartoznak:

• Szupernóvák
• Novas

Az időszakos események olyan események, amelyek rendszeresen ismétlődő módon történnek. A periodikus elnevezés a periódusból ered, amely a hullámnak egy ciklus teljesítéséhez szükséges időtartamot jelenti. A periodikus jelenségek közé tartoznak:

• Pulzárok
• Változó csillagok

A zajjelenségek általában régen történt dolgokhoz kapcsolódnak. Az ilyen eseményekből származó jel addig ugrál az Univerzumban, amíg úgy tűnik, hogy mindenhonnan érkezik, és intenzitása alig változik. Ily módon hasonlít a "zajra", a háttérjelre, amely minden csillagászatban használt műszert áthat. A zaj legáltalánosabb példája az analóg televíziókban látható statikus zaj. A legfőbb csillagászati példa: A kozmikus háttérsugárzás.

Eszközök

• A távcsövek a megfigyelés fő eszközei. Egy nagy terület összes fényét összegyűjtik és egy kis területre helyezik. Ez olyan, mintha a szemed nagyon nagy és erős lenne. A csillagászok a távcsöveket arra használják, hogy megnézzenek olyan dolgokat, amelyek messze vannak és halványak. A távcsövek segítségével a tárgyak nagyobbnak, közelebbinek és fényesebbnek tűnnek.
• A spektrométerek a fény különböző hullámhosszúságait vizsgálják. Ez megmutatja, hogy miből áll valami.
• Sok távcső van műholdakon. Ezek űrmegfigyelőközpontok. A Föld légköre blokkolja az elektromágneses spektrum bizonyos részeit, de a légkör fölötti speciális távcsövek képesek észlelni ezt a sugárzást.

• A rádiócsillagászat rádióteleszkópokat használ. Az apertúraszintézis kisebb távcsöveket egyesít, hogy fázisos tömböt hozzon létre, amely olyan nagy távcsőként működik, mint a kisebb távcsövek közötti távolság.

Technikák

A csillagászok így jobb képeket kaphatnak az égboltról. A távoli fényforrásból érkező fény eléri az érzékelőt, és mérésre kerül, általában emberi szemmel vagy kamerával. Nagyon halvány források esetében előfordulhat, hogy a forrásból nem érkezik elég fényrészecske ahhoz, hogy látható legyen. A csillagászok egyik technikája a láthatóvá tételre az integrálás (ami olyan, mint a fényképészetben a hosszabb expozíció).

Integráció

A csillagászati források nem mozognak sokat: csak a Föld forgása és mozgása miatt mozognak az égbolton. Ahogy a fényrészecskék idővel eljutnak a kamerához, ugyanazt a helyet érik el, így az fényesebbé és láthatóbbá válik, mint a háttér, egészen addig, amíg az láthatóvá nem válik.

A legtöbb obszervatórium távcsövei (és a műholdas műszerek) általában képesek követni a csillagforrást, ahogy az az égbolton mozog, így a csillag a távcső számára mozdulatlannak tűnik, és hosszabb expozíciót tesz lehetővé. A felvételek különböző éjszakákon is készülhetnek, így az expozíciók órákon, napokon vagy akár hónapokon át tarthatnak. A digitális korszakban az égboltról készült digitalizált képeket számítógép segítségével össze lehet illeszteni, amely a mozgást korrigálva egymásra helyezi a képeket.

Adaptív optika

Az adaptívoptika azt jelenti, hogy a tükör vagy a lencse alakját megváltoztatjuk, miközben nézünk valamit, hogy jobban lássuk azt.

Adatelemzés

Az adatelemzés az a folyamat, amelynek során egy csillagászati megfigyelésből több információt nyerhetünk, mintha egyszerűen csak megnéznénk azt. A megfigyelést először adatként tároljuk. Ezt követően az adatokat különböző technikákkal elemzik.

Fourier-analízis

A matematikai Fourier-analízis megmutatja, hogy egy megfigyelés (egy bizonyos időtartam alatt) periodikusan változik-e (hullámszerűen változik). Ha igen, akkor ki tudja vonni a frekvenciákat és a hullámmintázat típusát, és sok mindent meg tud találni, többek között új bolygókat.

A mezőkre jó példa a pulzárok, amelyek rendszeresen pulzálnak rádióhullámokban. Ezekről kiderült, hogy hasonlítanak a röntgensugárzásban fényes források egy típusához (de nem mindegyikhez), amelyet kis tömegű röntgen kettőscsillagnak neveznek. Kiderült, hogy minden pulzár és néhány LMXB neutroncsillag, és hogy a különbségek annak a környezetnek köszönhetőek, amelyben a neutroncsillagot találták. Azokról az LMXB-kről, amelyek nem neutroncsillagok voltak, kiderült, hogy fekete lyukak.

Ez a szakasz megpróbál áttekintést nyújtani a csillagászat fontos területeiről, azok fontosságának időszakáról és a leírásukra használt kifejezésekről. Meg kell jegyezni, hogy a csillagászatot a modern korban elsősorban az elektromágneses spektrum szerint osztották fel, bár van némi bizonyíték arra, hogy ez változik.

Mezők test szerint

Napcsillagászat

A napcsillagászat a Nap tanulmányozása. A Nap a Földhöz legközelebbi csillag, mintegy 92 millió (92 000 000) kilométerre van tőle. A legkönnyebben megfigyelhető részletesen. A Nap megfigyelése segíthet megérteni más csillagok működését és kialakulását. A Napban bekövetkező változások hatással lehetnek a Föld időjárására és éghajlatára. A Napból folyamatosan töltött részecskék áramlása, a napszél indul ki. A Föld mágneses mezejébe csapódó napszél okozza az északi fényt. A Nap tanulmányozása segített az embereknek megérteni, hogyan működik a magfúzió.

Bolygócsillagászat

A bolygócsillagászat a bolygók, holdak, törpebolygók, üstökösök és aszteroidák, valamint a csillagok körül keringő egyéb kis objektumok tanulmányozása. A Naprendszerünk bolygóit számos űrszonda, például a Cassini-Huygens (Szaturnusz) és a Voyager 1 és 2, alaposan tanulmányozta.

Galaktikus csillagászat

A galaktikus csillagászat a távoli galaxisok tanulmányozása. A távoli galaxisok tanulmányozása a legjobb módja annak, hogy megismerjük saját galaxisunkat, mivel a saját galaxisunkban lévő gázok és csillagok miatt nehéz megfigyelni. A galaktikus csillagászok különböző típusú távcsövek és számítógépes szimulációk segítségével próbálják megérteni a galaxisok szerkezetét és kialakulásukat.

Gravitációs hullámok csillagászata

A gravitációs hullámcsillagászat az Univerzum tanulmányozása a gravitációs hullámok spektrumában. Eddig minden eddigi csillagászat az elektromágneses spektrumot használta. A gravitációs hullámok a téridőben a nagyon sűrű objektumok által kibocsátott hullámok, amelyek megváltoztatják alakjukat, és amelyek közé tartoznak a fehér törpék, a neutroncsillagok és a fekete lyukak. Mivel a gravitációs hullámokat eddig senki sem tudta közvetlenül kimutatni, a gravitációs hullámok csillagászatának hatása nagyon korlátozott volt.