Астрономия

АСТРОНОМИЯ

А.В. БЛАГИН
О.В. КОТОВА

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия 

для учебных заведений, реализующих основную программу 

среднего профессионального образования  

(протокол № 5 от 16.03.2020)

Москва
ИНФРА-М

202УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК  52(075.32)
ББК  22.6я723
 
Б68

Благин А.В.

Б68  
Астрономия : учебное пособие / А.В. Благин, О.В. Котова. — Москва : 

ИНФРА-М, 2021. — 272 с. — (Среднее профессиональное образование). — DOI 10.12737/1083410.

ISBN 978-5-16-016147-1 (print)
ISBN 978-5-16-108501-1 (online)
Кратко изложен вводный курс астрономии, приведены новейшие дан
ные науки о космосе. В каждом разделе приведены примеры решения 
задач, а также задания для самостоятельной работы студентов. Рассматриваются как стандартные задачи, так и олимпиадные, поэтому учебное 
пособие может служить также руководством по решению задач повышенной сложности. 

Предназначено для студентов системы среднего профессионального 

образования. Может быть полезно учащимся гимназий, средних образовательных школ и студентам младших курсов вузов, а также преподавателям 
естественно-научных дисциплин. Также может использоваться для самообразования.

УДК  52(075.32)

ББК  22.6я723

Р е ц е н з е н т:

И.А. Ачарова, кандидат физико-математических наук, доцент 

(Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону)

ISBN 978-5-16-016147-1 (print)
ISBN 978-5-16-108501-1 (online)
© Благин А.В., Котова О.В., 2020

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

Подписано в печать 06.07.2020. 

Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Petersburg. 

Печать цифровая. Усл. печ. л. 17,0.
Доп. тираж 100 экз. Заказ № 00000

ТК 734007-1141799-200420

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

К ЧИТАТЕЛЯМ

Радость видеть и понимать 
есть самый прекрасный дар природы.

Альберт Эйнштейн

Нас окружают мириады звезд. Жизнь бежит все быстрее и динамичнее. На короткие секунды мы устремляем взор в звездное небо. 
Восхищаемся мимолетно. И спешим дальше по своим делам. А звезды 
молчат. Они ждут нашего наблюдения и изучения! Когда-нибудь человечеству предстоит переселиться в окрестности другой звезды... Конечно, это будет очень нескоро, но необходимо. Почему? Ответ на этот 
и сотни других вопросов вы найдете в этой книге.

Знать о причинах и условиях затмений, смены времен года, иметь 
хотя бы общие представления о звездах, Солнце, планетах так же необходимо, как знать о Пушкине, Моцарте, Рембрандте. И то, и другое — 
часть общечеловеческой культуры.

Учебная дисциплина «Астрономия» относится к дисциплинам общеобразовательного учебного цикла программы подготовки студентов 
среднего профессионального образования. Книг и учебников, по уровню 
доступных студентам колледжей и техникумов, пока очень мало. Им, 
а также учащимся старших классов общеобразовательных школ, студентам младших курсов вузов, преподавателям и всем интересующимся 
звездным небом предлагается эта книга. Ее можно считать доступным, 
компактным и в то же время достаточно полным введением в астрономию и астрофизику.

Астрономия развивается, опираясь на физику. Здесь связь очевидна: 
информацию о звездах и галактиках мы получаем, наблюдая свет, который они излучают (последние почти сто лет астрономы ведут наблюдения не только в видимом диапазоне электромагнитных волн, 
но и во всех остальных). А как и почему звезды светят, может объяснить только физика. И «расшифровать» информацию, которую несет 
звездный свет, под силу лишь физике!

Учебное пособие состоит из шести разделов. Первый раздел — 
вводный. Он посвящен предмету курса «Астрономия», телескопам 
и наблюдениям. Во втором разделе — рассказ о созвездиях, небесной 
геометрии, координатах светил, времени. В следующих разделах последовательно рассматриваются планеты Солнечной системы, само

з

Солнце, другие звезды, звездные скопления, жизнь (эволюция) звезд, 
галактики, основы космологии. В последнем разделе проводится экскурс 
в проблему поиска внеземных цивилизаций.

Одной из особенностей этой книги является простое и наглядное изложение вопросов, которые чаще всего остаются в учебниках «за кадром». Это касается и базовых понятий, таких как «общее движение 
Луны и Земли вокруг Солнца», и проблем современных исследований — 
всеволновой и многоканальной астрономии (радио-, нейтринная и гравитационно-волновая астрономия). Кроме того, рассказано об открытиях 
последних лет в астрофизике. Значительное внимание уделено объектам 
и явлениям, о которых, как правило, мало говорится в учебных пособиях: например, космическим явлениям в атмосфере, черным дырам, 
темному веществу, темной энергии, экзопланетам.

Очень важно уметь решать хотя бы стандартные задачи, например 
приблизительно находить положения звезд, видимых в данном пункте 
земной поверхности в данный момент звездного времени; оценивать 
температуру звезды по ее блеску; находить массы звезд, зная параметры их орбит и периоды обращения. В учебном пособии приводится 
большое количество решенных задач, а также вопросов и задач для самостоятельной работы. Для решения заданий, отмеченных символом 
поисковой системы «Гугл» [~], читателю, возможно, потребуется найти 
нужные материалы в интернете. Некоторые темы объясняются в задачах 
(например, звездная аберрация — в 4 главе).

С помощью этой книги вы легко освоите навыки обращения с подвижной картой звездного неба (карта и накладной круг к ней приведены в приложении 1). Вы узнаете, как по карте можно определять 
восход и заход Солнца и всех ярких звезд. Выясните, что можно увидеть 
на небе сегодня вечером. И вообще, карту можно положить в карман, 
и звездное небо всегда будет с вами. Поверьте, это интереснее, чем поручать поиск звезд смартфону!

Мы надеемся, что книга никого не оставит равнодушным. Даже 
те читатели, кому не надо сдавать зачеты и экзамены и поступать в университет, смогут, не углубляясь в формулы, получить системные знания 
по предмету и в дальнейшем понять смысл новых достижений этой прекрасной науки — астрономии.

4

ВВЕДЕНИЕ

Астрономия занимает важное место среди физико-математических наук и, несомненно, является базой естествознания -  системы 
наиболее значимых знаний об окружающем мире. Термин «астрономия» образован двумя греческими словами: «астрон» -  светило, «но- 
мос» -  закон. «Наука о звездах». Хотя не только звезды и планеты являются объектом изучения этой удивительной науки. Если «слепить» 
все видимые и невидимые звезды в один плотный ком, он займет ничтожно малую часть окружающего нас космоса. Кроме звезд с их лунами и кометами, есть гигантские газовые и пылевые облака, которые 
движутся и развиваются по определенным законам. Грандиозные электромагнитные процессы происходят в них. Плотность их в тысячи и 
миллионы раз меньше, чем плотность обычных облаков на земле. Но, 
несмотря на то, что температура большинства межзвездных облаков составляет всего десятки кельвинов (минус 230-250 по Цельсию), некоторые из них -  крайне горячие, вплоть до миллионов градусов. Велики 
бывают и значения характеристик электромагнитных полей в этих облаках.

Вернувшись к звездам, мы обнаружим величественный и очень 
разнообразный мир. Большинство звезд не сильно отличаются от нашего Солнца -  являются раскаленными газовыми шарами со средней 
плотностью, ненамного превосходящей плотность земной воды морей и 
океанов. На Земле нет столь высоких температур, как в звездах: десятки 
миллионов градусов в ядре! Среди звездного населения достаточно 
много очень удивительных объектов -  например, белые карлики, пульсары и наконец, самые таинственные -  черные дыры.

Важной отличительной особенностью астрономии (ее практического аспекта) является то, что почти все знания, которые она дает человечеству, добываются исключительно наблюдениями. Эксперимент, 
понимаемый как организованное вмешательство в природные процессы 
в контролируемых условиях, в космосе человеку пока мало доступен. И 
еще один важный аспект астрономии -  исключительная ценность любительских наблюдений. Небо обширно. И даже если оно полностью

5

перекрыто телескопами, нужно как можно больше разумных наблюдателей, которые могли бы, например, вовремя заметить направляющуюся к Земле каменную глыбу -  небольшой астероид. Или распознать 
иную вновь возникшую в небе особенность.

Астрономические знания возникли в глубокой древности из 
практических потребностей человека. По Солнцу и звездам корабли и 
караваны прокладывали свои маршруты, определяли сезоны. Наблюдаемое движение светил позволяло человеку ориентироваться в пространстве и времени. В настоящее время основой навигации являются спутниковые системы. У нас в кармане есть умная коробочка -  смартфон с 
навигатором. Но само создание этих систем стало возможным благодаря астрономии!

Предметом астрономии является движение, физические свойства, 
происхождение и эволюция небесных тел и их систем, а также структура и эволюция Вселенной в целом.

6

1. ТЕХНИКА НАБЛЮДЕНИЙ НЕБА

1.1. Оптические телескопы

История телескопов насчитывает уже более 4-х столетий -  первые телескопы появились в Европе в 1608 г. Как известно, в небо телескоп впервые направил Галилей (1609). Наибольшее увеличение давал 
один из телескопов Галилея -  30-кратное. За несколько месяцев Галилей сделал открытия, кардинально изменившие представления человечества о Вселенной. На поверхности Луны был обнаружен новый мир -  
горы, долины, кратеры. Вечная спутница Земли «перестала» быть гладким шаром. Галилей увидел многие тысячи новых звезд, которые до 
этого никто никогда не наблюдал. Оказалось, что и Млечный Путь состоит из мириадов таких звезд. Наблюдая в телескоп планеты, Галилей 
увидел, что они являются дисками, тогда как звезды оставались светящимися точками.

Это значило, что звезды находятся неизмеримо дальше, чем 
«блуждающие» светила. Пятна на Солнце были обнаружены задолго до 
Галилея с его телескопом. Но, систематически наблюдая за ними, Галилей установил, что Солнце вращается, и определил период этого вращения. Самым важным открытием явилось обнаружение спутников 
Юпитера. Галилей опубликовал его в своем сочинении «Звездный вестник» (1610). Иоганн Кеплер, получив книгу от автора, направляет ему в 
апреле 1610 г. восторженный отзыв и тут же приступает к разработке 
телескопа нового типа -  рефрактора. Его описание Кеплер публикует 
в 1611 г. в книге «Диоптрика». Задача, которую он поставил себе, 
сформулирована следующим образом: с помощью двух двояковыпуклых стекол получить отчетливые, большие, но обратные изображения. 
Пусть линза, служащая объективом, находится на таком расстоянии от 
предмета, что его обратное изображение получается неотчетливым. Если теперь между глазом и этим неотчетливым изображением, недалеко 
от последнего, поставить второе собирательное стекло (окуляр), то оно 
сделает исходящие от предмета лучи сходящимися и даст благодаря 
этому отчетливое изображение.

Кеплер показал, что для получения прямого изображения в 
устройство необходимо ввести третью линзу. Система, предложенная 
Кеплером, давала большое преимущество -  большое поле зрения. Лучи 
от светил, проходящие далеко от оптической оси, не попадают в центр

7

окуляра. И если в вогнутом окуляре «голландской галилеевой» трубы 
они еще дальше отклоняются от центра и не видны, то в окуляре 
Кеплера с выпуклой линзой они собираются к центру и попадают в зрачок глаза. При этом существенно увеличивается поле зрения, в котором 
все наблюдаемые объекты видны ясно и четко. Кроме того, в плоскости 
изображения в трубе Кеплера между объективом и окуляром можно 
поместить прозрачную пластинку с отградуированной на ней сеткой 
или шкалой. Это позволяет производить не только наблюдения, но и 
необходимые измерения. Поэтому телескоп Кеплера быстро вытеснил 
«голландскую трубу», которая в наше время используется только в театральных биноклях. У Кеплера не было требуемых средств и специалистов для изготовления телескопа своей конструкции. Первый телескоп-рефрактор кеплеровского типа был изготовлен в 1613 г. немецким 
ученым К. Шейнером (1575-1650) по описанию, приведенному в «Диоптрике». Позже Шейнер изготовил и трубу из трех линз, дающую 
прямое изображение. Современные рефракторы основаны на системе 
Кеплера (объектив телескопа дает действительное изображение объектов, рассматриваемое в окуляр), хотя конструкции телескопов очень 
разнообразны.

На рис. 1.1 показаны схемы двух основных типов телескопов: рефрактора (от лат. refracto -  преломляю) линзового и рефлектора зеркального (от лат. reflecto -  отражаю). Небесные объекты посылают свой 
свет справа на рисунке. Поскольку они расположены очень далеко, лучи можно считать параллельными.

Сфокусированные линзой или зеркалом лучи направляются через 
окуляр в глаз наблюдателя. Оптические системы, содержащие сферические зеркала (использование которых упрощает технологию изготовления телескопов), составляют катоптрику. Линзовые системы в совокупности представляют диоптрику. Если в системе применяется комбинация линз и зеркал, ее относят к катадиоптрическим. Такая комбинация позволяет свести к минимуму следующие недостатки оптических приборов:

-  сферическая аберрация (искажение изображения, вызванное 
несовпадением фокусов для лучей света, удаленных от главной оптической оси, ГОО на разные расстояния);

-  кома (размытость изображения вследствие расфокусировки 
формирующих его различных лучей. Изображение при этом напоминает головную часть кометы, отсюда название);

8

-  астигматизм (искажение, при котором изображение светящейся точки формируется в виде изломанного под 90° небольшого отрезка);

-  громоздкие габариты.

Пучок света дважды проходит трубу рефлектора, прежде чем попадает в фокус. Поэтому необходимо небольшое вспомогательное зеркало или призма, чтобы1 повернуть фокальную плоскость в наиболее 
удобную позицию. В схеме Ньютона (рис. 1.2, а) небольшое зеркало, 
установленное под углом 45о, выводило лучи в окуляр перпендикулярно 
главной оптической оси (ГОО) и основной трубе телескопа. Главное 
зеркало здесь параболическое. Для неширокой трубы можно использовать и сферическое зеркало. Лоран Кассегрен (1629-1693) использовал 
вышуклое гиперболическое зеркало, установленное на ГОО (рис. 1.2, б). 
Фокус его совпадал с (фокусом главного зеркала. В схеме Уильяма Гер- 
шеля (рис. 1.2, в) главный фокус смещался на небольшой (око ло 20о) 
угол 1с краю телескопической трубыг За 4 года до создания этой конструкции подобный 'телескоп быт разработан М.В. Ломоносовым.

F
2

1

Рис. 1.1. Основные типы телескопов: 
а -  рефрактор; 6 -  рефлектор; 1 -  глаз наблюдателя; 2 -  окуляр;

3 -  линзовый объектив; 4 -  зеркальный объектив (вогнутое зеркало); 
F, Fi, F2 -  фокусы

9

а)
б)

Л

Рис. 1.2. Телескоп Ньютона (а), Кассегрена (б), Ломоносова-Гершеля (в) и Максутова (г)

Советский ученый Дмитрий Дмитриевич Максутов (рис. 1.3) 
предложил в качестве вспомогательного элемента использовать мениск 
-  выпукло-вогнутую линзу, в данном случае -  рассеивающую (рис. 1.2,

г). И мениск, и зеркало имеют сферическую аберрацию.

Линза вследствие аберрации искажает направления лучей в пучке, но отразившись от зеркала, лучи сходятся в одной точке. Две сферические аберрации 
компенсируют друг друга. Линзы имеют 
хроматическую аберрацию; для различных компонент белого света (красных, зеленых и т.д. волн) фокусы различаются.

Однако, подобрав материалы для 
мениска, можно избавиться от хроматизма, что и осуществлено в этой системе. 
Рассчитав необходимое расстояние между 
фокусами главного зеркала и мениска, 
Д.Д. Максутов практически устранил кому и астигматизм изображения. Еще одним важным преимуществом 
этого телескопа является простота его изготовления и компактность.

Рис. 1.3. Дмитрий Дмитриевич 
Максутов (1896-1964), 
советский оптик, 
лауреат Сталинской премии

10

Мениск резко собирает лучи, поэтому длина трубы телескопа всего вдвое 
больше диаметра мениска: если последний равен 1 м, то длина телескопа 
- 2  м. Длина линзового телескопа с той же апертурой составляет 21 м. 
Система Максутова широко используется в различных телескопах во 
всем мире.

Коротко опишем всего лишь два знаменитых оптических телескопа. Это отечественный Большой телескоп азимутальный (БТА) и орбитальный «Хаббл».

БТА -  гордость отечественной астрономической науки (рис. 1.4). 
Он установлен в Специальной астрофизической обсерватории Российской Академии наук в горах Северного Кавказа (гора Пастухова, 2070 
метров над уровнем моря, в 12 км 
от поселка Нижний Архыз, Карачаево-Черкесская Республика, Россия). В эксплуатацию БТА был 
введен еще в советские времена, в 
1976 г. В феврале 2018 г. после модернизации было вновь установлено главное зеркало телескопа. Доставка его на Лыткаринский завод 
оптического стекла (Подмосковье) 
сложных транспортных операций.

Это уникальное монолитное зеркало диаметром 6 м. Только в 
1998 г. рекорд БТА был превзойден в Чили, на горе Серро-Параналь 
(Южная Европейская обсерватория) были установлены телескопы 
диаметром 8,2 м. Купол БТА возвышается на 53 м. За 40 с лишним лет 
работы телескопа было получено большое количество ценных данных о 
небе (рис. 1.5, 1.6). Укажем самые важные результаты, полученные на 
БТА. Смысл терминов будет раскрыт в главах учебника в дальнейшем.

1. 
Определены массы у 1500 галактик в двойных и тройных системах. Показано, что вклад темной межгалактической материи невелик 
и основная масса вещества во Вселенной сосредоточена в самих галактиках.

Рис. 1.4. Большой альт-азимутальный 

и обратно явилось комплексом

11