ТАРАУ. Астрофизика элементтері. 9 глава

Ал ғасырлық ұйытқуларға шығыс түйінінің бойлығы мен орбитасы периодтарының бойлығы ұшырайды. Ай Жерді айналғанда әрбір айналымындағы түйіндерінің орын ауыстыруы 1,5°-қа тең. Олай болса, Ай өзінің дәл бұрынғы орнына ешқашанда оралмайды. Бұл тек 18 жыл, 7 ай уақыт өткеннен кейін ғана, яғни түйіндер эклиптика бойымен толық бір айналым жасағанда ғана қайталанады.

2.1.12. Айдың көрінетін қозғалысы мен фазалары

Айдың көрінетін қозғалысы – бұл Айдың Жерді айналғандағы нақты қозғалысының салдары. Ай бір жұлдыздық ай бойында жұлдыздар арасында тек бір бағытта ғана, яғни батыстан шығысқа қарай қозғалады. Айдың көрінетін қозғалысы оның сыртқы келбетінің өзгеруімен қатар жүреді, бұл өзгеріс ай фазасы деп аталады. Кей күндері Ай аспан сферасында көрінбей де қалады. Басқа күндері ол орақ тәріздес, жарты шеңбер және толық шеңбер болып көрінеді. Ай фазалары былайша түсіндіріледі: Ай Жер сияқты бұлыңғыр, яғни мөлдір емес, шартәріздес дене және ол Жерді айнала қозғалып, Күнге қатысты әртүрлі орындарда болады. Күннің алыстағаны байланысты, оның Ай бетіне түсетін сәулелері әрқашанда параллель және Ай шарының дәл жартысын қамтиды. Жерге Айдың жарық және қараңғы жарты шарларының бөліктері түсетіндіктен, Ай бізге толық шеңбер емес сияқты көрінеді. Ай денесінің қараңғы және жарық жағынан бөліп тұратын түзу - терминатор деп аталады, ол әрқашанда жартылай эллипс өлшемді болады. Ал Күннен Айға және Айдан Жерге бағытталған түзулердің арақашықтығы - ψ-фазалық бұрыш деп аталады.

Айдың негізгі 4 фазасы болады. Олар бірінен соң бірі ауысып тұрады: жаңа ай, бірінші ширек, толық ай және соңғы ширек.

Толық ай кезінде Ай Күн мен Жер арасынан өтеді, фазалық бұрыш ψ=180°, Жерге Айдың қараңғы жағы қарайды және ол аспанда көрінбейді, Күннен кейін ол орақ тәріздес болып көріне бастайды. Уақыт өте ол үлкейе береді де, бірінші фазаға ауысады, Ай шығыс квадратта орналасады, яғни Күннен шығысқа қарай 90°-қа, яғни фазалық бұрыш φ=90°, Жерге Айдың жарық жағының бір бөлігі және қараңғы жағының бір бөлігі көрінеді. Біз фаза кезінде Ай тек түннің бірінші жартысында ғана көрініп, әрі қарай көкжиек асып кетеді. Жерге Айдың жарық бөлігі көбірек көріне бастайды және жобамен бірінші ширектен 7 тәуліктен соң толық ай фазасы кемиді, яғни Ай толық шеңбер түрінде болады. Бұл кезде Ай күнге қарсы тұрады, фазалық бұрыш φ=0° және Айдың жарық жағы толығымен Жерге қарайды. Толық Ай аспанда түні бойы көрінеді, ол Күн батқанда батады.

Толық айдан кейін Ай “кішірейе” береді, толық айдан кейін шамамен 7 тәуліктен соң Ай қайтадан жарты шеңбер түрінде болады, соңғы ширек басталады. Бұл уақытта Ай батыс квадратта болады, фазалық бұрыш φ=90°, және жерге Айдыың жарық және қараңғы бөліктері де қарайды. Бірақ, Ай енді Күннен батысқа қарай 90° орналаспайды, түннің екінші жартысында ол Күн шыққанға дейін көрінеді. Осылайша процесс қайталана береді.

2.1.13. Ай тұтылуы

Ай тұтылуын 2.5 – сурет арқылы түсіндіруге болады. Күн Жерге жарық түсіреді, ал Жердің күнге қарсы беті көлеңкелі болады. Күн диаметрі Жер диаметрінен үлкен болғандықтан, Жер көлеңкесі Ай көлеңкесі сияқты біртіндеп сығыла түскен конус тәріздес болады. Жер көлеңкесінің конусы Айдың конусынан ұзынырақ, ал оның диаметрі Ай диаметрінен 2,5 есе артық. Жерді айнала қозғала отырып Ай Жер көлеңкесінің конусына түсіп қалады, міне осы уақытта Ай тұтылуы құбылысы байқалады. Тұтылу кезінде Айға Күн сәулесі түспегендіктен Ай тұтылуы бүкіл түнгі жер жартышарында көрінеді.

Сурет 2.5 Ай тұтылуы схемасы

Ай батыстан шығысқа қарай қозғалғандықтан Жер көлеңкесіне оның сол жағы бірінші болып кіреді. Егер Ай Жер көлеңкесіне толық кірсе, онда толық Ай тұтылуы болады, ал егер көлеңкеде Айдың бөлігі ғана болса, онда тұтылу жартылай болады. Жер көлеңкесінің диаметрі Ай диаметрінен 2,8 еседей артық болатындықтан толық тұтылу екі сағатқа дейін созылуы мүмкін.

Тұтылулар белгілі бір уақыт арасында қайталана отырады, бұл уақыт аралығы – сарос деп аталады. ( сарос - "қайталану" ). Сарос 18 жыл және 11,3 тәулікке тең. Ай фазалары орта есеппен 29,53 тәулік сайын қайталанады.

ТАРАУ. Астрофизика элементтері.

Кіріспе

3.1.1. Астрофизика пәні, негізгі мәселелері

Астрофизика міндеті – Ғалам және жеке космостық объектілердің физикалық табиғаты мен эволюциясын зерттеу. Астрофизика – астрономияның негізгі және жылдам даму үстіндегі бөлімдерінің бірі. Ол астрономияның маңызды және жалпылама есептерін шешеді. Соңғы онжылдықтарда астрофизика астрономияның негізгі бөліміне айналды. Бірақ “Аспан механикасы”, “Астрометрия” сияқты “классикалық” бөлімдер өз құндылығын жойған жоқ, керісінше астрономияның дәстүрлі облыстарындағы жұмыстардың маңыздылығы өсуде. Қазіргі кезде астрономия біртұтас ғылым ретінде жүйелі түрде дамуда.

Астрофизика тарихында көптеген сілкіністер болғаны белгілі. Нәтижеде бірнеше жаңа бөлімдер пайда болды. XIX-XX ғғ. спектрлік сараптаудың ашылуы, фотографияның пайда болуы, фотоэлектр, радиоастрономия және атмосферадан тыс зерттеу әдістерінің меңгерілуі астрофизика дамуын жеделдетті және мүмкіндіктерін кеңейтті. ХХ ғасырда астрономия бүкілтолқындық болды, яғни электромагниттік сәулеленудің кез-келгені арқылы информация алуға болады.

Физикадағы даму және практикалық астрофизика әдістерінің арқасында теориялық астрофизика да дамыды. Астрофизиканың екі бөлімі де өз кезегінде бірнеше бөлімдерден тұрады. Теориялық астрофизика зерттеу объектілері бойынша былайша жіктеледі: жұлдыздар, Күн, планеталер, тұмандықтар, космостық сәулелер физикасы, космология және т.б. Практикалық астрофизика қолданатын әдістеріне қарай бөлінеді: астрофотометрия, астроспектрометрия, астрофотография, колориметрия және т.б. Жаңа әдістерді қолдануға негізделген теориялық астрофизика бөлімдері: радиоастрономия, атмосферадан тыс астрономия, рентген астрономиясы, гамма-астрономия, нейтринді астрономия. Соңғы уақытта астрофизикадағы динамикалық хаос проблемасы да өте өзекті. Қазіргі кезде осы бағытта қызу зерттеулер жүргізіліп, ол пәрменді даму үстінде.

3.1.2. Астрофизикада зерттелетін электромагниттік сәулелену аймағы

Көрінетін жарық - кванттар түрінде шығарылатын электромагниттік сәулеленудің дербес түрі екендігі белгілі.

Кванттар энергиясының өлшем бірлігі ретінде электрон-вольт (эв) қабылданған. Электронвольт - бұл потенциалдар айырымы 1 вольт электр өрісімен үдетілген еркін электронның алатын энергиясы.

Көрінетін жарық кванттарының энегриясы 2-3 эв-қа тең және астрофизикада зерттелетін электромагниттік сәулеленудің тек аз аймағын ғана қамтиды, ал негізінде астрофизикада зерттелетін сәулелену аймағы Мэв-тан (миллион эв - гамма-сәулелер) электрон-вольттың миллионнан бір (1/10⁶) үлесіне дейінгі (радиотолқындар) аралықтарды қамтиды. Бұл аралықта рентген, ультракүлгін, көрінетін және инфрақызыл сәулелер орналасқан.

Электромагниттік толқынның толқындық қасиетін ескере отырып, оны толқын ұзындығы және жиілігі арқылы сипаттауға болады: .

Кванттар энергиясы электромагниттік тербелістердің жиілігіне тура пропорционал, ал пропорционалдық коэффициент Планк тұрақтысы болып табылады h = 6,625 × 10 ^-27 эрг×сек, олай болса . Энергиясы 1 эв квантқа мынадай толқын ұзындығы және жиілігі сәйкес келеді: мк (микрон), Гц.

Көрінетін сәулелер аймағына жуықтап 0,39 мк-нан (көрінетін спектрдің күлгін шекарасы) 0,76 мк-ға (қызыл шекара) дейінгі аралық сәйкес келеді. Олардың арасында көрінетін спектрдің барлық түстері орналасқан: күлгін (0,39-0,45 мк), көк (0,45- 0,48 мк), көгілдір (0,48-0,51 мк), жасыл (0,51-0,57 мк), сары (0,57-0,585 мк), қызыл сары (0,58-0,62 мк) және қызыл (0,62-0,76 мк). Спектрдің көрінетін облысындағы сәулелердің астрономияда маңызы зор, өйткені Жер атмосферасы оларды жақсы өткізеді. Ал спектрдің басқа бөліктерінде сәулелер жұтылуы күштірек болғандықтан космостық сәулелер Жер атмосферасының белгілі бір деңгейіне дейін ғана келіп жетеді. Атмосфера спектрдің қысқа толқындық облысын күштірек жұтады, яғни ультракүлгін, рентген және гамма-сәулелерді. Оларды (ультракүлгіннен басқасын) тек ракеталар мен жасанды серіктер арқылы ғана бақылауға болады.

Көрінетін спектрден ұзын толқындарға қарай инфрақызыл сәулелер мен радиотолқындар орналасқан. Инфрақызыл сәулелердің басым бөлігі (1 микроннан бастап) ауа молекулаларымен жұтылады, негізінен су буы мен көмірқышқыл газы молекулаларымен. Жер атмосферасы 1 см-ден 20 метрге дейінгі аралықтағы радиотолқындар үшін мөлдір. Ұзындығы 1 см-ден аз толқындар (1 мм, 4.5 мм және 8 мм-ден басқасы) Жер атмосферасының төменгі қабаттарымен толық жұтылады, ал ондаған метрден ұзын толқындар атмосфераның ең жоғарғы қабаты - ионосферамен шағылады және жұтылады.

Спектрлік талдау

Сәулелену қарқындылығының толқын ұзындығы (немесе жиілігі) бойынша үлестірілуі сәулелену спектрі деп аталады.

Құранды (күрделі) жарықты жай (құраушы) сәулелерге жіктейтін құралдар шыны призма (кейде кварц призма), не дифракциялық решетка болады.

Егер құранды ақ жарықты шыны призмаға түсірсек, оны құрайтын жай сәулелердің шыны ішіндегі жылдамдығы әртүрлі болғандықтан, олар әртүрлі болып сынады да, жолындағы экран бетіне барып түскенде, бәрі экранның бір нүктесіне беттесіп түспейді, жіктеліп қатар-қатар түседі. Ал толқын ұзындығы әр түрлі сәулелер біздің көзімізге әртүрлі түсті болып көрінеді (егер микрон болса қызыл түсті болып), сондықтан экран бетіндегі әлгі әр түрлі жай сәулелер жіктеліп түскен жерде әртүсті жолақтарды – спектрді көреміз.

Күрделі жарықты жай жарықтарға жіктеу арқылы оның құрамын зерттеуді спектрлік талдау дейді.

Егер құрал спектрді тек көзбен окуляр арқылы көріп бақылау үшін арналған болса, онда спектроскоп, ал спектрді фотографиялау үшін арналған болса, онда спектрограф дейді. Бұлардың құрылысы бірдей, тек спектрографта спектрдің суреті түсетін жерге фотопластинка қойылады.

Аспан денесінен келетін жарықтың спектрін түсіру үшін спектрограф пен телескопты аспан денесінің кескіні спектрографтың саңылауына дәл келетіндей етіп біріктіреді.

Заттың күйіне қарай және оның қандай жағдайда тұруына байланысты спектрдің негізгі үш түрі болады.

Тұтас не үздіксіз спектр бірімен бірі жалғасып жатқан әр түсті жолақтардың жинағы. Мұндай спектрді қызған күйдегі қатты, сұйық заттың бәрі де және үлкен қысым мен жоғары температура жағдайында молекулалары мен атомдары иондалған газдар береді.

Сызықша немесе жолақ спектр дегеніміз қараңғы аралықпен бөлінген жеке-жеке әртүрлі ашық сызықтардан немесе жолақтардан тұрады. Мұндай спектрлерді сиретілген газдар мен булар, мысалы, қызған күйде не электр тогы өткен кезде береді.

Жұтылу спектрі дегеніміз үздіксіз спектр беретін жарық көзінің алдында салқындау газдар не булар тұрған кезде шығады. Мұның түрі көлденең қара сызықтармен айғыздалған тұтас спектр болады. Мұны газдар мен булар өздері арқылы өтетін жарықтың ішінен, өздері жиілігі қандай сәулелерді шығара алатын болса, соларды жұтып қалады деген неміс физигі Кирхгоф заңы бойынша түсінуге болады.

Молекулалардың немесе олардың қосылыстарының спектрі бірқатар жалпақ жолақтардан тұрады; бұл жолақтардың әрқайсысы өте тығыз орналасқан сызықтар.

Газ не бу күйіндегі әрбір элементтің өзіне тән сызықша спектрі бар – сызықтың саны, түсі, орны, жарықтығы (интенсивтігі) әр элементтікі әртүрлі. Мысалы, натрий буының спекрті толқын ұзындықтары және болатын қос сары сызықтан тұрады.

Спектр - химиялық элементтің ен-таңбасы. Спектріне қарап бір элементті екінші элементтен оңай ажыратуға болады және әр элементтің спектрі белгілі болғандықтан жарық келіп тұрған зат қандай элементтерден құралғанын айыруға болады.

Күн мен жұлдыздар спектрі тұтылу спектріне жатады.

Жарықты шығаратын атом. Ендеше неғұрлым спектр сызықтары жарығырақ болса, солғұрлым ол сызықтарды шығаратын атомдар саны да көбірек болу керек, осыдан элементтің мөлшері қанша екенін де бағалап білуге болады.

Тәжірибенің көрсетуіне қарағанда газдың қысымы көбейген сайын, оның спектріндегі сызықтар жалпая береді және жаңадан сызықтар қосылады. Сөйтіп, спектріне қарап жұлдыз атмосферасындағы қысым туралы түсінік ала аламыз.

Температура күшейген кезде атомдар мен молекулалар иондалады. Ал мұндай күйдегі олардың шығаратын спектрі нормаль күйдегіден өзгеше. Ендеше спектрге қарап температураны да анықтауға болады.

Спектрдің түріне қарап аспан денелеріндегі электрлік және магниттік күштер туралы да мәліметтер алуға болады. Себебі, жарық пен электр және магнит құбылыстарының арасында байланыс бар екенін білеміз: егер жарық көзін күшті магнит өрісіне қойса, спектр сызықтары «жарықшақталады» – бір сызықтың орнына екі не үш сызық шығады (Зееман құбылысы), ал күшті электр өрісі болған кезде сызықтар жалпаяды. Аспан денелерінен келетін сәулелерді талдап тексергенде, олардың құрамы өте күрделі екендігі ашылды. Ол сәулелер толқын ұзындықтары нешетүрлі электромагниттік толқындардың жинағы екен: оның ішінде ұзын толқынды радиотолқындары, инфрақызыл сәуле, көзге көрінетін ақ сәуле, қысқа толқынды ультракүлгін сәулелер бар.

3.1.4. Абсолют жұлдыздық шама

Көрінетін жұлдыздық шамалар жұлдыз шығаратын энергия, оның бетінің жарықтығы жөнінде хабар бере алмайды. Шын мәнінде, кішігірім және суық жұлдыздар бізге жақын болуы салдарынан ғана алыс орналасқан ыстық алып жұлдыздармен салыстырғанда белгілі жұлдыздық шамаға ие болуы мүмкін (яғни, жарық болып көрінуі мүмкін).

Егер, екі жұлдызға дейінгі қашықтық бізге белгілі болса, олардың көрінетін Жұлдыздық шамаларының негізінде сәуле шығаратын және нақты жарық айдарының қатынасын табуға болады. Ол үшін бұл жұлдыздардың беретін жарықтылығы мен барлық жұлдызға сәйкес стандарт арақашықтық арасындағы қатынас тексеріледі. Бұл қашықтық ретінде 10 пс (парсек) қабылдаған.

Жұлдызды 10 пс қашықтықтан бақылағандағы оның қабылдай алатындай жұлдыздық шамасы – абсолют жұлдыздық шама деп аталады.

Көрінетін жұлдызды шамалар сияқты Абсолют жұлдыздық шама да визуалды фотографиялық, және тағы басқа болып бөлінеді.

3.1.5. Астрофизиканың әдістері мен аспаптары