§ 15. НЕБО. НЕБЕСНА СФЕРА
З раннього дитинства ми чуємо такі вислови: «Сонце на небі», «Місяць по небу ходить», «зоряне небо». З небом ми пов’язуємо простір над нашими головами. Ми бачимо небо у формі велетенської півкулі, на якій знаходяться зорі, Місяць, Сонце.
Якщо дивитися на зоряне небо, нам здається, що всі зорі розташовані на однаковій відстані від нас. Вони ніби світять на внутрішній поверхні велетенської кулі, у центрі якої перебуваємо ми. Проте це не так. Адже нині відомо, що зорі й планети знаходяться на різних відстанях від Землі, що наша планета не стоїть на місці, а постійно рухається. Відомо також, що наша планета куляста, тому будь-який спостерігач із Землі бачить лише половину неба.
Учені здавна намагалися створити модель, яка дала б змогу побачити все небо одразу.
• Що розуміють під небесною сферою
Останнім часом у парках атракціонів можна побачити великі прозорі кулі. Усередину такої кулі людина може вільно потрапити й рухатися в ній (мал. 53). Якщо ізсередини на стінках такої кулі розмістити всі світні точки, які ми бачимо на зоряному небі, то можна сказати, що ми створили модель неба – небесну сферу. Цим поняттям успішно користуються вчені-астрономи, вивчаючи видимі рухи зірок і визначаючи їхнє розташування на небі.
Мал. 53. Такі кулі дають змогу уявити небесну сферу
Отже, небесна сфера – це уявна порожниста куля довільного радіуса, на внутрішню поверхню якої нанесено всі зорі саме так, як спостерігач із Землі бачить їх на зоряному небі.
Небесна сфера дещо схожа на глобус Землі, про який ти вже знаєш з початкової школи. Проте на глобусі розташовані океани і материки, а на небесній сфері – зорі (мал. 54).
Мал. 54. Небесна сфера
• Точки і лінії небесної сфери
На глобусі Землі існують екватор, Північний і Південний географічні полюси. На небесній сфері також є полюси й екватор, але називаються вони небесний екватор і полюси світу (мал. 55).
Небесний екватор ділить небесну сферу на дві півкулі – Північну і Південну. Точку небесної сфери, розташовану прямо над головою спостерігача, називають зенітом. Уявну вісь, навколо якої обертається небесна сфера, називають віссю світу. А точки перетину цієї уявної осі світу з небесною сферою називають Північним полюсом світу і Південним полюсом світу (мал. 55).
Мал. 55. Точки і лінії небесної сфери
Варто зауважити, що між земними полюсами й земним екватором та полюсами світу й небесним екватором існує одна суттєва відмінність. Земні полюси реально існують як точки на поверхні Землі, і до них можна долетіти чи доїхати так само, як і до екватора. А полюсів світу як реальних точок на зоряному небі немає. Тому ми можемо позначити тільки напрямок, у якому вони спостерігаються.
• Чому все, що ми бачимо на небі, постійно рухається
Коли ми дивимося на небо, то бачимо, як удень Сонце, а вночі Місяць і зорі рухаються по ньому. Нам здається, що ці світила рухаються навколо нас. У давнину вчені зробили хибний висновок, що Земля нерухома, а все рухається навколо неї. Причина такої помилки полягає в обертанні Землі навколо своєї осі. Так само, як тобі під час обертання на каруселі здається, що рухаються будинки і дерева, так і всім, хто перебуває на Землі, здається, що рухається небо. Та насправді це Земля рухається навколо Сонця й навколо своєї осі.
• Небесна сфера – це уявна порожниста куля, у центрі якої знаходиться спостерігач. На внутрішню поверхню цієї кулі нанесено всі зорі так, як їх бачить на зоряному небі спостерігач.
• На небесній сфері є точки і лінії, за допомогою яких можна визначити положення зір.
• Усе, що знаходиться на небі, постійно рухається.
Сторінка природодослідника
Виконай удома дослід. Стародавні вчені часто користувалися «небесними глобусами». На них були нанесені лінії, за допомогою яких можна було дуже точно визначити місцеположення зорі на небесній сфері. Проте всі зорі та їхні сукупності на тих «небесних глобусах» виглядали «перевернутими».
У чому полягала помилка стародавніх учених, що користувалися «небесними глобусами»? Відповісти на це запитання тобі допоможе такий дослід.
Дослід. За малюнком 56 на прозорому аркуші поліетилену зобрази найпомітнішу частину сузір’я Великої Ведмедиці, або Великий Ківш, як ще його називають в Україні. Сім найпомітніших зірок Ківша нанеси на поліетилен червоним фломастером. Виготовлений малюнок за допомогою скотчу прикріпи до скла на вікні балкона (якщо це квартира) або на вікні першого поверху приватного будинку із середини помешкання. Тепер уважно розглянь зображене сузір’я. Зверни увагу, ручка Ківша буде знаходитися ліворуч. Потім вийди на вулицю або балкон і повтори спостереження. Ти побачиш ручку Ківша вже праворуч.
Отже, помилка давніх учених пояснюється тим, що зоряне небо на «небесних глобусах» малювали так, як його бачив би спостерігач, перебуваючи ззовні небесної сфери.
Мал. 56. Найяскравіша частина сузір’я Великої Ведмедиці
Сторінка ерудита
Спостерігаючи за зоряним небом у Північній півкулі, давні вчені помітили, що всі зорі рухаються і чим вище зоря знаходиться на небі, тим менш помітний її рух. На небі вони знайшли таку зорю, рух якої майже непомітний протягом усієї ночі. Що ближче до неї знаходяться інші зорі, то рух їх стає повільнішим. Цю зорю називають Полярною зорею, а точку її місцеположення на небесній сфері пов’язують з Північним полюсом світу.
Запитання і завдання
1. Що таке небесна сфера та із чим її можна порівняти?
2. Назви точки і лінії небесної сфери.
3. Чому здається, що зорі рухаються по небу?
4*. Поясни причину видимих рухів світил і зміни вигляду зоряного неба впродовж року.
Розділ 1. НЕБЕСНА СФЕРА. РУХ СВІТИЛ НА НЕБЕСНІЙ СФЕРІ
У цьому розділі ви дізнаєтесь, що таке небесна сфера, сузір’я; про характерні сузір’я зоряного неба, точки й лінії небесної сфери; що таке екліптика, небесні координати, горизонтальний паралакс; про одиниці відстаней в астрономії, видиму й абсолютну зоряну величину, місцевий, поясний і всесвітній час; типи календарів; закони Кеплера. Навчитеся пояснювати причини видимих рухів світил по небесній сфері; дізнаєтеся про методи визначення відстаней до небесних тіл, а також їхніх розмірів і маси; принцип визначення місцевого часу, принцип побудови календаря, системи небесних координат; причини сонячних та місячних затемнень; навчитеся показувати на зоряному небі характерні сузір’я, найяскравіші зорі, планети Сонячної системи, видимі неозброєним оком, користуватися рухомою картою зоряного неба, зоряними атласами, орієнтуватися на місцевості за Сонцем і Полярною зорею.
§ 2. НЕБЕСНІ СВІТИЛА ТА НЕБЕСНА СФЕРА. ЗОРІ. ЗОРЯНІ ВЕЛИЧИНИ
1. Сузір’я та яскраві зорі. Зоряні величини. Небо над нами на відкритому місці має вигляд купола. На ньому в безхмарну ніч сяють тисячі зір, і, здається, неможливо розібратися в цій величній зоряній картині. Давні спостерігачі бачили на зоряному небі окремі поєднання яскравих зір й уявляли їх різними фігурами. Щоб було легше орієнтуватися на зоряному небі, групам зір, або сузір’ям, люди дали назви тварин, птахів, різних предметів. У деяких фігурах давньогрецькі астрономи «бачили» міфічних героїв. У праці «Альмагест» («Велика математична побудова астрономії в 13 книгах», II ст. н. е.) давньогрецький астроном Клавдій Птолемей (бл. 87-165) згадує 48 сузір’їв. Це Велика Ведмедиця та Мала Ведмедиця, Дракон, Лебідь, Орел, Телець, Терези та ін.
Найпомітніші сузір’я в багатьох народів одержали свої назви. Так, стародавнім слов’янам Велика Ведмедиця уявлялася у вигляді Лося або Оленя. Іноді ківш Великої Ведмедиці порівнювався з візком, звідси й назви цього сузір’я: Віз, Колісниця. Між Великою Ведмедицею й Малою Ведмедицею є сузір’я Дракона. За легендою Дракон (Змій) викрадає юну красуню. А красуня ця – відома Полярна зоря.
Ще в III ст. до н. е. давньогрецькі астрономи звели назви сузір’їв у єдину систему, пов’язану з грецькою міфологією. Ці назви згодом запозичила європейська наука. Тому всі сузір’я, що містять яскраві зорі й видимі в середніх широтах Північної півкулі Землі, одержали імена героїв давньогрецьких міфів і легенд (наприклад, сузір’я Цефея, Андромеди, Пегаса, Персея). Їхні зображення можна знайти на стародавніх зоряних картах: Велика Ведмедиця й Мала Ведмедиця, небесний мисливець Оріон, голова зоряного бика – Тельця та ін. (мал. 1.1). А сузір’я Кассіопея названо на честь міфічної цариці (мал. 1.2).
Мал. 1.1. Сторінки атласа А. Целларіуса із зображенням міфічних образів сузір’їв
На сучасних астрономічних картах немає малюнків міфічних образів сузір’їв, але збережено їхні стародавні назви.
Менш яскраві сузір’я назвали європейські астрономи в XVI-XVIII ст. Усі сузір’я Південної півкулі (невидимі в Європі) одержали назви в епоху Великих географічних відкриттів, коли європейці почали освоювати Новий Світ (Америку).
Однак із часом склалася непроста ситуація – у різних країнах використовувалися різні карти сузір’їв. Виникла потреба уніфікувати поділ зоряного неба. Остаточне число й межі сузір’їв було визначено на І з’їзді Міжнародного астрономічного союзу в 1922 р. Усю сферичну поверхню зоряного неба було умовно розділено на 88 сузір’їв.
У наш час під сузір’ям розуміють ділянку зоряного неба з характерним спостережуваним угрупованням зір. Для полегшення запам’ятовування й пошуку сузір’їв у підручниках з астрономії та астрономічних атласах яскраві зорі, що утворюють сузір’я, сполучено умовними лініями. Сузір’я, зорі яких утворюють виділену на зоряному фоні конфігурацію, або ті, які містять яскраві зорі, належать до головних сузір’їв (мал. 1.3).
Над горизонтом на ясному зоряному небі неозброєним оком можна побачити близько 3000 зір. Вони відрізняються своїм блиском: одні помітні відразу, інші ледь помітні. Тому ще в II ст. до н. е. один з основоположників астрономії – Гіппарх (190-120 рр. до н. е.) – увів умовну шкалу зоряних величин. Найбільш яскраві зорі було зараховано до 1-ї величини, слабші приблизно в 2,5 раза вважаються зорями 2-ї зоряної величини, а найслабші, видимі тільки в безмісячну ніч, – зорями 6-ї величини.
Мал. 1.2. Сузір’я Кассіопея
Мал. 1.3. Схема взаємного розміщення головних сузір їв і яскравих зір, видимих у середніх географічних широтах
На зоряному небі яскравих зір 1-ї зоряної величини – усього 12. На території України доступні для спостереження 11 з них.
Багатьом яскравим зорям давньогрецькі та арабські астрономи дали назви: Вега, Сіріус, Капела, Альтаїр, Ригель, Альдебаран та ін. Надалі яскраві зорі в сузір’ях стали позначати літерами грецького алфавіту в міру зниження їхнього блиску.
З 1603 р. діє система позначень зір, яку запропонував німецький астроном Йоганн Байєр (1572-1625). У цій системі назва зорі складається з двох частин: з назви сузір’я, якому належить зоря, і літери грецького алфавіту. При цьому перша літера грецького алфавіту α відповідає найбільш яскравій зорі в сузір’ї, β – другій за блиском зорі і т. д. Наприклад, Регул – α Лева – це найяскравіша зоря в сузір’ї Лева, Денебола – β Лева — друга за блиском зоря в цьому сузір’ї. З розвитком науки та у зв’язку з винаходом телескопів кількість досліджуваних зір збільшувалася. Для їхнього позначення вже не вистачало літер грецького алфавіту. І тоді зорі почали позначати латинськими літерами. Коли ж закінчилися й вони, зорі стали позначати цифрами (наприклад, 61 Лебідь).
2. Основні точки, лінії та площини небесної сфери. Нам здається, що всі зорі розміщені на деякій сферичній поверхні небосхилу й однаково віддалені від спостерігача. Насправді вони перебувають від нас на різних відстанях, які настільки великі, що око не може помітити ці відмінності. Тому уявлювану сферичну поверхню стали називати небесною сферою (мал. 1.4).
Небесна сфера — це уявлювана сфера довільного радіуса, центр якої, залежно від розв’язуваного завдання, сполучається з тією або іншою точкою простору.
Центр небесної сфери може бути обрано в місці спостереження (око спостерігача), у центрі Землі або Сонця тощо. Поняттям небесної сфери користуються для кутових вимірювань, для вивчення взаємного розміщення й руху космічних об’єктів на небі.
На поверхню небесної сфери проектуються видимі положення всіх світил, а для зручності вимірювань будують на ній ряд точок і ліній. Наприклад, деякі із зір «ковша» Великої Ведмедиці перебувають далеко одна від одної, але для земного спостерігача вони проектуються на ту саму ділянку небесної сфери (мал. 1.5).
Мал. 1.4. Небесна сфера: О — центр небесної сфери (місцеперебування спостерігача); PN — Північний полюс світу; PS — Південний полюс світу; PNPS — вісь світу (полярна вісь); Z — зеніт; Z’ – надир; E — схід; W – захід; N — північ; S — південь; Q — верхня точка небесного екватора; Q’ — нижня точка небесного екватора; ZZ’ — вертикальна лінія; PNMPS — коло схилення; NS — полуденна лінія; M — світило на небесній сфері
Прямовисна лінія (або вертикальна лінія) — пряма, що проходить через центр небесної сфери і збігається з напрямком дії сили тяжіння в місці спостереження.
Прямовисна лінія перетинає небесну сферу в точках зеніту (верхня точка перетину прямовисної лінії з небесною сферою) і надира (точка небесної сфери, протилежна зеніту).
Площину, що проходить через центр небесної сфери й перпендикулярна до прямовисної лінії, називають площиною дійсного, або математичного, горизонту.
Математичний горизонт ділить поверхню небесної сфери на дві половини: видиму для спостерігача, з вершиною в зеніті, і невидиму, з вершиною в надирі.
Математичний горизонт не збігається з видимим горизонтом унаслідок нерівності поверхні Землі і у зв’язку з різною висотою точок спостереження, а також викривленням променів світла в атмосфері.
Вертикальне коло, або вертикал світила, — це велике коло небесної сфери, що проходить через зеніт, світило та надир.
Мал. 1.5. Схема проектування зір у сузір’ї Великої Ведмедиці на небесній сфері
Вісь світу — пряма, що проходить через центр небесної сфери паралельно осі обертання Землі, що перетинає небесну сферу в двох діаметрально протилежних точках.
Точку перетину осі світу з небесною сферою, поблизу якої перебуває Полярна зоря, називають Північним полюсом світу, протилежну точку – Південним полюсом світу.
Полярна зоря міститься від Північного полюса світу на кутовій відстані близько 1° (точніше, 44′).
Велике коло, що проходить через центр небесної сфери і перпендикулярне до осі світу, називають небесним екватором.
Воно ділить небесну сферу на дві частини: Північну півкулю з вершиною в Північному полюсі світу та Південну – з вершиною в Південному полюсі світу.
Коло схилення світила — велике коло небесної сфери, що проходить через полюси світу і світило.
Добова паралель — мале коло небесної сфери, площина якого перпендикулярна до осі світу.
Велике коло небесної сфери, що проходить через точки зеніту, надира й полюси світу, називають небесним меридіаном.
Небесний меридіан перетинається зі справжнім горизонтом у двох діаметрально протилежних точках.
Точку перетину справжнього горизонту й небесного меридіана, найближчу до Північного полюса світу, називають точкою півночі.
Точку перетину справжнього горизонту й небесного меридіана, найближчу до Південного полюса світу, називають точкою півдня.
Лінію, що сполучає точки півночі й півдня, називають полуденною лінією.
Вона лежить на площині справжнього горизонту. За напрямком полуденної лінії падають тіні від предметів опівдні.
З небесним екватором справжній горизонт також перетинається у двох діаметрально протилежних точках – точці сходу і точці заходу. Для спостерігача, який перебуває в центрі небесної сфери обличчям до точки півночі, точка сходу буде розміщена праворуч, а точка заходу – ліворуч. Пам’ятаючи це правило, легко орієнтуватися на місцевості.
Видимий річний шлях Сонця серед зір називають екліптикою.
У площині екліптики лежить шлях Землі навколо Сонця, тобто її орбіта. Вона нахилена до небесного екватора під кутом 23°26,5′ і перетинає його в точках весняного (♈, близько 21 березня) й осіннього (♎, близько 23 вересня) рівнодення (мал. 1.6).
Мал. 1.6. Екліптика та небесний екватор
Точкою весняного рівнодення називають точку, у якій Сонце, у результаті свого річного руху, переходить з Південної півкулі небесної сфери в Північну.
У точці осіннього рівнодення Сонце переходить з Північної півкулі небесної сфери в Південну.
Явище проходження світила через небесний меридіан називають кульмінацією.
На середніх географічних широтах є світила, що сходять і заходять за горизонт; є такі, що ніколи не заходять за горизонт, і є такі, які ніколи не сходять над горизонтом (невидимі в цій місцевості). На екваторі всі світила сходять і заходять за горизонт. На полюсах Землі є світила, завжди видимі над горизонтом, і є світила, що ніколи не видимі.
Час s, що минув від верхньої кульмінації точки весняного рівнодення, називають зоряним часом.
Інтервал часу між двома послідовними верхніми кульмінаціями точки весняного рівнодення називають зоряною добою.
ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО
- 1. Що розуміють під сузір’ям?
- 2. На яку кількість сузір’їв розділено небесну сферу?
- 3. Як сузір’я одержали свої назви? Наведіть приклади назв сузір’їв.
- 4. За яким принципом побудовано шкалу зоряних величин Гіппарха? Що розуміють під зоряною величиною?
- 5. У чому полягає суть системи класифікації зір за Байєром?
- 6. Яка зоря яскравіша: зоря 1-ї зоряної величини чи зоря 6-ї зоряної величини?
- 7. Що розуміють під небесною сферою?
- 8. Дайте означення основних точок, ліній і площин небесної сфери.