В. Г. Сурдин
Астрономия. Популярные лекции.
Предисловие
Днем, при солнечном свете, мы видим только Землю. Ночью мы видим весь мир.
Владимир Клавдиевич Арсеньев,путешественник, географ, писатель
В 1932 г. астрономия вошла в школьную программу как самостоятельный предмет — 1 час в неделю в 7 классе и 2 часа в неделю в 9 классе. С 1935 г. она преподавалась в 10 классе в объеме 72 часа. В 1936 г. произошло слияние астрономии с физикой. С 1937 г. астрономия снова стала самостоятельным предметом, но ее объем уменьшился до 36 часов. С 1993 г. астрономия начала исчезать из школьной программы. Ее преподавание сохранилось в качестве предмета по выбору и факультатива, т. е. осталось лишь в элитарных школах. Поэтому и без того смутное представление у молодежи об окружающем мире стало все сильнее вытесняться мифами и околонаучными сенсациями. Но в силу естественной любознательности школьники и студенты тянутся к знаниям о космосе, а руководители просвещения понимают необходимость этих знаний для будущих ученых и инженеров. Вот почему за последние несколько лет наиболее сильные университеты России ввели в программу физических факультетов базовые курсы астрономии, а МГУ им. М. В. Ломоносова даже организовал межфакультетский и дистанционный курсы основ астрономии. Наконец, с 1 сентября 2017 г. астрономия вернулась в школьную программу как обязательный предмет для 10 или 11 классов.
За те годы, что астрономия систематически преподавалась у нас лишь немногочисленным будущим специалистам небесной науки, многое изменилось. Интернет сделал знания общедоступными, и он же породил «клиповый» формат сообщений. Теперь от учебного курса для широкой аудитории требуется не систематическое изложение полного объема информации по предмету, а демонстрация его связи с другими науками и областями жизни, разъяснение «тонких мест», исправление аберраций, рожденных непрофессиональными сообщениями в Интернете. И главное, что требуется от лектора, — зажечь интерес к предмету и желание черпать дополнительные знания из окружающих потоков информации. Чтобы добиться этого, нужно испытать разные подходы; один из них — перед вами.
Эта книга подготовлена на основе лекций, прочитанных в 2013–2018 гг. в МГУ им. М. В. Ломоносова и в его бакинском филиале, на физическом факультете Новосибирского государственного университета, на online-курсах порталов «Лекториум» и «Открытое образование» и в некоторых публичных лекториях, клубах и средних школах России. Частично материалом для нее послужил курс «Общая астрономия», который я читаю на астрономическом отделении физического факультета МГУ. Каждый из упомянутых курсов сопровождался богато иллюстрированными презентациями. Продемонстрировать их все на страницах книги невозможно, но вы можете выйти на них через мою страницу в Интернете: http://lnfm1.sai.msu.ru/~surdin. Там же есть ссылки на книги, видеолекции и online-курсы.
Первое издание книги встретило благосклонное внимание читателей, и тираж был весьма быстро распродан. Вероятно, этому способствовало то, что астрономия вновь, после двух десятилетий забвения, стала обязательным школьным предметом. Поэтому я готовил книгу как раз для того, чтобы дать в руки учителю и любознательному ученику современные и неформальные знания о Вселенной. В новом издании исправлены ошибки и опечатки первого; их список поддерживается на интернет-странице http://lnfm1.sai.msu.ru/~surdin/Astro_pop-lect_proof.htm. Кроме того, добавлены две главы: о планетах-гигантах, их спутниках и кольцах, а также о планетах-карликах и малых телах Солнечной системы — астероидах и кометах. Надеюсь, эта книга сделает более интересным, увлекательным и полезным регулярный курс астрономии.
Многие иллюстрации для лекций и книги были взяты с открытых сайтов NASA, ESA, ESO и других научных организаций, за что я им глубоко благодарен. Среди моих коллег и друзей, своей работой способствовавших подготовке этих лекций, я отдельно хочу поблагодарить С. И. Блинникова и С. А. Ламзина, а также особо отметить профессора Санкт-Петербургского университета Константина Владиславовича Холшевникова, внимательно прочитавшего часть текста и сделавшего ряд важных замечаний. А тем фактом, что книгу приятно держать в руках, мы обязаны автору макета и многих рисунков Н. Л. Васильевой.
В. Г. Сурдин, октябрь 2018 г.
1. Видимое и истинное движение небесных тел
Сначала мы обсудим видимые движения небесных тел, в том числе приводящие к солнечным и лунным затмениям. Говоря о видимом движении светил, мы имеем в виду изменение их взаимного положения на небесной сфере, не включая сюда кажущееся вращение самой небесной сферы, обусловленное суточным вращением Земли.
Фазы и либрации Луны
Самое привычное и наглядное из видимых изменений на небе — это смена фаз Луны. Мы с детства знаем, что образ Луны ежемесячно проходит через несколько характерных фаз: новолуние, первую четверть, полнолуние и последнюю четверть. Однако указать причину этого привычного явления может далеко не каждый. На днях моей маленькой внучке подарили книгу, от чтения которой у меня волосы встали дыбом, поскольку ее автор представил смену лунных фаз как ежемесячное затмение лунного диска тенью Земли. Ежемесячное лунное затмение — такого наивного представления об астрономических событиях я еще не встречал и даже не ожидал его от современного человека. Поэтому, думаю, с причиной смены лунных фаз нужно познакомиться в первую очередь.
Рис. 1.1. Полнолуние (слева) и первая четверть.
При описании внешнего вида Луны или планеты мы называем фазой определенную стадию в периодическом изменении видимой формы освещенного Солнцем полушария этих тел. Солнце всегда освещает одно полушарие небесного тела, а фаза — это понятие, связанное с наблюдателем. Фаза измеряется тем, какую часть освещенного Солнцем полушария видит наблюдатель. Смена фаз Луны — явление наглядное. Каждый следующий день мы наблюдаем этот спутник Земли в новом виде. В течение 29,5 суток, практически одного месяца, происходит полная смена фаз — проходит так называемый синодический лунный месяц.
Рис. 1.2. Так происходит смена фаз Луны. В Северном полушарии — справа налево.
Мы находимся на Земле, Луна движется вокруг нас, совершая за месяц полный оборот. Солнце в этой шкале времени почти неподвижно (за месяц смещение Солнца относительно Земли происходит всего лишь на 1/12 часть окружности). У лунного шара всегда освещено полушарие, обращенное к Солнцу, а мы наблюдаем лунный шар с разных сторон по отношению к направлению на Солнце, поэтому иногда видим его полностью освещенную половинку, иногда — часть, а иногда (в новолуние) к нам обращена полностью затемненная сторона лунного шара. Это и есть причина смены фаз. То есть у Луны всегда освещена одна половина и всегда в тени другая, но наша точка зрения на эти половинки в течение месяца меняется.
Тем не менее, хотя в течение месяца мы видим и светлую, и темную стороны Луны, из этого не следует, что с Земли мы можем увидеть всю лунную поверхность: к Земле постоянно обращена одна — «видимая» — сторона Луны. Почему так происходит? А потому, что два движения Луны синхронны: один оборот по орбите вокруг Земли и один поворот вокруг своей оси Луна совершает за одно и то же время — за месяц.
Названия фаз Луны на русском языке не очень разнообразны, их в ходу четыре: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть. Кстати, вы не задумывались, почему мы говорим «четверть», когда освещена половина лунного диска? А потому, что от новолуния прошла четвертая часть периода — лунного месяца.
Рис. 1.3. Фазы Луны. Показано ее движение по орбите вокруг Земли. Вид со стороны Северного полюса. Луна движется против часовой стрелки. Рядом с орбитой показан внешний вид Луны для земного наблюдателя в Северном полушарии в соответствующие моменты синодического месяца.
В некоторых других языках существуют более разнообразные варианты названий лунных фаз. Например, в английском между новолунием и первой четвертью выделяют фазу «растущего серпа» (waxing crescent), а между первой четвертью и полнолунием еще есть «растущая луна», или «растущий месяц» (waxing gibbous). Соответствующие фазы после полнолуния называются «убывающая луна» (waning gibbous) и «убывающий серп» (waning crescent). Думаю, у некоторых коренных народов, для которых Луна и ее ночной свет гораздо важнее, чем для нас, городских жителей, есть и другие названия лунных фаз, которые дробят месяц на более мелкие периоды. Например, у эскимосов есть два десятка слов для характеристики цвета и состояния снега, потому что для них он очень актуален. Так и с Луной, вероятно.