1.2. Obserwacje obiektów astronomicznych prowadzone z Ziemi

Obserwacje nocnego nieba

Co zwraca uwagę przy obserwacji nocnego nieba? Przede wszystkim duża liczba migoczących punktów świetlnych. To gwiazdy. Znajdują się one bardzo daleko od nas i dlatego ich obraz jest prawie punktowy. Drobne zmiany gęstości atmosfery, tzw. fluktuacje, powodują, że raz je widzimy lepiej, raz gorzej. Postrzegamy to jako migotanie gwiazd. Planety, podobnie jak nasz naturalny satelita – Księżyc, świecą światłem odbitym, pochodzącym od Słońca. Światło to ma dużo większe natężenie, zatem fluktuacje atmosfery nie są w stanie go zakłócić w stopniu, w jakim zakłócają światło gwiazd. To dlatego światło pochodzące od planet prawie nie migocze. Spostrzeżenie to pozwala z dużym prawdopodobieństwem wskazać nawet bardzo początkującym miłośnikom wieczornych obserwacji nieba, który z obserwowanych obiektów jest planetą.

Nocne niebo z „drogą mleczną” — Ilustracja 1.14. **Nocne niebo z Drogą Mleczną**

Zobacz, jak powstaje obraz Drogi Mlecznej. Zobacz animację!

Z półkuli północnej można dostrzec gołym okiem około 3000 gwiazd, a przez największe teleskopy – około sto miliardów! Łatwo można zauważyć, że najwięcej widocznych gwiazd grupuje się w szerokim, nieregularnym pasie przecinającym niebo. To zgrupowanie gwiazd nazwano Drogą Mleczną. Słońce jest jedną z gwiazd należących do Drogi Mlecznej, czyli do naszej Galaktyki (patrz rozdział 1.10. Galaktyki).

Ilustracja 1.15. **Galaktyka ma kształt dysku, a Słońce znajduje się na jego peryferiach (strzałka)**

Dysk widziany od środka przedstawia się nam jako jasna smuga

Konstelacje gwiazd

Grupy gwiazd (tzw. konstelacje lub gwiazdozbiory), tworzące określone wzory na niebie, ułatwiają orientowanie się w geografii nieba. Ich nazwy pochodzą od wyobrażeń naszych przodków, którzy utożsamiali je z postaciami z mitologii, symbolami zwierząt i przedmiotów. Obecnie astronomia posługuje się pojęciem konstelacji gwiazd w innym celu. Niebo dzieli się na fragmenty, a mianem gwiazdozbioru określa się taki ściśle ograniczony fragment, w którym znajduje się określona grupa gwiazd. Wśród nich są gwiazdy, które kiedyś dały nazwę konstelacjom, dlatego też nazwy fragmentów nieba pozostały tradycyjne. Należy wyraźnie stwierdzić, że gwiazdy tworzące określony wzór na niebie nie są w żaden sposób ze sobą powiązane. Znajdują się one w różnych odległościach, ale ich rzut na sferę niebieską tworzy określony wzór. Na il. 1.16 przedstawiono gwiazdozbiór o nazwie Kasjopea. Jest on bardzo charakterystyczny, ponieważ przypomina dużą literę W (lub M – w zależności od pory roku i doby).

Ilustracja 1.16. **Konstelacja Kasjopei**

Gwiazdy tworzące określony wzór na niebie nie są ze sobą powiązane, znajdują się w różnych odległościach od nas – zobacz animację wyjaśniającą, jak powstaje obraz konstelacji Kasjopei

Musimy mieć świadomość, że zdecydowana większość widocznych gołym okiem obiektów astronomicznych należy do naszej Galaktyki, Drogi Mlecznej. W gwiazdozbiorze Andromedy (na niebie odnajdziesz go w pobliżu gwiazdozbioru Kasjopei) znajduje się jedna z najbliższych nam galaktyk – M31. Oznaczenie M31 pochodzi z Katalogu Messiera.

Galaktyka M31 jest odległa od nas o 2,25 miliona lat świetlnych. Jest ona bardzo podobna do naszej Galaktyki – Drogi Mlecznej – i jest jedyną galaktyką widoczną gołym okiem na północnej półkuli nieba. Obserwator na południowej półkuli może dostrzec dwa inne obiekty znajdujące się poza obrębem naszej Galaktyki. Są to Mały i Wielki Obłok Magellana – galaktyki satelitarne Drogi Mlecznej.

Wielka Niedźwiedzica – jej fragmentem jest Wielki Wóz — Ilustracja 1.17. **Wielka Niedźwiedzica, której fragmentem jest Wielki Wóz**

Jednym z najbardziej charakterystycznych gwiazdozbiorów (a przez to najbardziej znanych i najłatwiejszych do odnalezienia) jest Wielka Niedźwiedzica (il. 1.17). Jego częścią jest tzw. Wielki Wóz. Odszukanie Wielkiego Wozu na niebie jest stosunkowo łatwe, znajduje się on po przeciwnej stronie nieba w stosunku do Kasjopei. Na przedłużeniu linii łączącej dwie ostatnie gwiazdy Wielkiego Wozu znajduje się Gwiazda Polarna wskazująca biegun północny (il. 1.18). Gwiazda Polarna tworzy początek „dyszla” Małego Wozu.

Ilustracja 1.18. **Wielki Wóz i Gwiazda Polarna**

Meteory i meteoryty

Na ogół nie zdajemy sobie sprawy z tego, że codziennie Ziemia bombardowana jest meteoroidami – ciałami w postaci kamieni lub odłamków metali o różnych rozmiarach, od kilku mikrometrów do kilku metrów, pochodzącymi z Kosmosu. Czasami, obserwując niebo, możesz je zauważyć jako tzw. meteory, potocznie nazywane „spadającymi gwiazdami”. Codziennie spada na Ziemię średnio ok. 400 ton pyłu kosmicznego. Pozostałości po meteorach docierające do powierzchni Ziemi nazywamy meteorytami (il. 1.19). Większość z nich nie wyrządza szkód, gdyż lecąc z olbrzymią prędkością, rozpala się w atmosferze i wyparowuje. Jednak duże, zdarzające się bardzo rzadko, mogą spowodować znaczne spustoszenie. Na powierzchni Ziemi można znaleźć wiele kraterów, podobnych do tych, które są widoczne na Księżycu, utworzonych przez duże meteoryty (il. 1.20). Prawdopodobnie uderzenie dużego meteorytu spowodowało w przeszłości wyginięcie wielu gatunków zwierząt, w tym dinozaurów.

Ilustracja 1.20. **Krater meteorytowy w stanie Arizona USA. Średnica 1280 m, głębokość 183 m**

W dniu 15.02.2013 r. nad Czelabińskiem w Rosji pojawił się ogromny meteor (zwany bolidem), który podczas przejścia przez atmosferę rozgrzał się i gwałtownie eksplodował. Powstała przy tym fala uderzeniowa uszkodziła tysiące budynków, a ponad 1000 ludzi zostało rannych.

Ilustracja 1.21. **Meteor nad Czelabińskiem w Rosji w dniu 15 lutego 2013 roku**

Skąd biorą się meteoroidy? Uważa się, że powstały one:

z pozostałości pierwotnego obłoku materii, z którego tworzył się Układ Słoneczny,
z materiału komet rozpraszanego w pobliżu Słońca,
z pozostałości po rozpadzie planetoid przy wzajemnych zderzeniach.

Grawitacja powoduje, że meteoroidy trafiają w Ziemię. Dokładniej rzecz ujmując, ziemskie przyciąganie sprawia, że tory ich ruchu ulegają zakrzywieniu. Przez to właśnie wiele meteoroidów, które w braku przyciągania minęłyby Ziemię, ostatecznie w nią trafia. Można powiedzieć, nieco żartobliwie, że Ziemia działa podobnie jak dysza odkurzacza: zbiera pył kosmiczny nie tylko na swojej drodze, ale też w sąsiedztwie tej drogi. Podobnie jest z innymi planetami i ich księżycami.

Komety

Kometa to ciało niebieskie zbudowane z pyłu oraz drobnych bryłek lodu. Zwykle składa się z głowy zawierającej niewielkie jądro (o średnicy do ok. 20 km), w którym jest zawarta prawie cała masa komety, oraz z warkocza, który powstaje na skutek działania wiatru słonecznego na pył i gaz. Warkocz gazowy komety, który jest bardzo podatny na działanie wiatru słonecznego, jest zwrócony zawsze w stronę przeciwną do Słońca (il. 1.22). W pobliżu Słońca wiele cząstek komety zostaje od niej oderwanych, dlatego komety okresowe przy każdym pojawieniu się na niebie świecą coraz to słabszym światłem.

Gęstość komety w porównaniu z gęstością planet jest bardzo mała. Spowodowane jest to olbrzymią objętością zajmowaną przez jej warkocz. Rozmiary warkoczy komet mogą być kilkakrotnie większe od rozmiarów Ziemi, a nawet Słońca.

Komety znajdujące się blisko Słońca na ogół mają dwa warkocze skierowane pod różnymi kątami do kierunku ruchu komety.

Warkocz gazowy zawiera niemal wyłącznie drobiny różnych gazów. Masa tych drobin jest na tyle mała, że działanie wiatru słonecznego nadaje warkoczowi kierunek „od Słońca”.

Warkocz pyłowy składa się z mikroskopijnych fragmentów lodu i innych substancji wytrącanych z jądra komety podczas procesu sublimacji lodu. Masa tych fragmentów jest zbyt duża, by promieniowanie słoneczne mogło znacząco zmienić kierunek ich ruchu. Tak więc warkocz pyłowy jest lekko wygięty w kierunku przeciwnym do ruchu komety.

Pochodzenie komet nie jest do dziś w pełni wyjaśnione. W dawnych czasach zwracano uwagę na takie ich cechy, jak mgliste zarysy, obecność warkocza lub jego brak, nieregularne i rzadkie pojawianie się oraz ich stosunkowo szybki ruch na tle gwiazd. W tamtych czasach pojawienie się komety wywoływało wśród ludzi zabobonny strach, było traktowane jak zapowiedź niezwykłych, na ogół niekorzystnych, wydarzeń. Jednak uczeni, nawet starożytni, tłumaczyli obecność komet jako zjawisko całkowicie naturalne.

Orbity komet

Newton pod koniec XVII wieku stwierdził, że komety poruszają się po torach krzywoliniowych, tzw. stożkowych, mających Słońce w swoim ognisku. Krzywe te można utworzyć, przecinając stożek płaszczyzną. Otrzymuje się wtedy koło, elipsę, hiperbolę lub parabolę (il. 1.23). Planety poruszają się po torach eliptycznych (patrz prawa Keplera, rozdział 1.8. Układ Słoneczny), czyli też wzdłuż krzywych stożkowych. Wynika to z teorii grawitacji.

Ilustracja 1.23. Ruch ciał niebieskich w pobliżu Słońca odbywa się po torach będących krzywymi stożkowymi

Krzywe te można utworzyć, przecinając stożek płaszczyzną: a) prostopadłą do osi stożka – koło, b) ustawioną pod kątem ostrym do osi stożka – elipsa, c) równoległą do osi stożka – hiperbola, d) równoległą do tworzącej stożka – parabola

Fazy Księżyca

Ilustracja 1.24. Fazy Księżyca

Film omawia ruch Księżyca po orbicie wokół Ziemi. Pokazuje fazy Księżyca, będące rezultatem oglądania oświetlonej połowy satelity pod różnymi kątami, spowodowanymi różnymi położeniami Słońca, Ziemi i Księżyca względem siebie

Księżyc zmienia swoje oblicze – raz występuje w postaci półkola, raz w postaci sierpa, a niekiedy w postaci pełnej tarczy. Są to tzw. fazy Księżyca, zależne od jego ruchu orbitalnego wokół Ziemi. Przedstawiono je w kolejności na il. 1.25.

Ilustracja 1.25. **Widok Księżyca w kolejnych fazach**

Jeżeli widzisz Księżyc w postaci sierpa tak zwróconego, że przypomina literę D, to w ciągu następnych nocy Księżyc będzie się dopełniał , aż pokaże pełną tarczę. Później będzie go ubywać. Jeżeli zobaczysz Księżyc w postaci sierpa przypominającego literę C, to w czasie następnych nocy Księżyc będzie się cofał, czyli sierp będzie się robił coraz cieńszy.

Fazy Księżyca (kwadry) wynikają z różnego kąta oświetlenia Księżyca przez Słońce – patrz il. 1.26.

Ilustracja 1.26. **Słońce oświetla Księżyc – tylko jedną jego półkulę**

Oczom „ludzika” znajdującego się na Ziemi przedstawia się widok faz Księżyca narysowanych na wewnętrznym okręgu

Nie tylko Księżyc, ale i niektóre planety np. Wenus, mogą być widoczne w różnych fazach. Gdy skierujemy lornetkę na Wenus, możemy zauważyć niejednakowe oświetlenie jej tarczy.

Ilustracja 1.27. **Sierp Wenus widoczny przez lornetkę**

Zaćmienia Księżyca i Słońca

Zjawisko zaćmienia Księżyca występuje wtedy, gdy na drodze promieni słonecznych oświetlających Księżyc znajdzie się Ziemia. Wtedy cień Ziemi zasłania Księżyc całkowicie lub częściowo przez krótki czas (kilkudziesięciu minut). Na rysunku poniżej (il. 1.28) pokazano schematycznie sytuację, w której dochodzi do zaćmienia Księżyca.

Zjawisko zaćmienia Słońca (il. 1.28) występuje wówczas, gdy Księżyc znajduje się w takim położeniu między Słońcem i Ziemią, że zasłania tarczę słoneczną. Zaćmienie będzie całkowite, gdy Księżyc zasłoni obserwatorowi całą tarczę Słońca, z kolei częściowe – gdy zasłoni fragment tarczy.

Doświadczenie "Domowe laboratorium – obserwacja zaćmień"

Potrzebna będzie lampka rzucająca snop światła w zaciemnionym pokoju i dwa przedmioty o kulistym kształcie, mniejszy i większy (np. mały globus, piłka, jabłko, pomarańcza itp.). Dwie kulki będą spełniać rolę Ziemi i Księżyca, a światło lampy będzie imitowało światło pochodzące od Słońca.

Ustaw „Ziemię” w snopie światła i obracaj ją wokół jej osi. Zaznacz punkt na powierzchni przedmiotu – położenie, w jakim znajduje się „obserwator”. Zaobserwuj, jak zmienia się obszar dnia (oświetlona część kuli) i nocy (część kuli w cieniu).
Teraz zademonstrujemy powstawanie różnych faz Księżyca. Wokół „Ziemi” poruszaj po orbicie kołowej „Księżycem” (patrz il. 1.26). Jak ustawisz „Księżyc”, aby z „Ziemi” widoczna była pełnia, czyli oświetlona cała tarcza „Księżyca”? W jakim położeniu ustawić „Księżyc”, aby z „Ziemi” obserwowany był nów, czyli cała tarcza „Księżyca” w cieniu (Księżyc niewidoczny)? Zaobserwuj kolejne fazy „Księżyca”. Teraz spróbuj znaleźć odpowiedzi na pytania:
1. O jakiej porze doby (w dzień czy w nocy) możemy obserwować Księżyc w pełni?
2. Czasami Księżyc widoczny jest w dzień jako wąski sierp na niebie. Przedstaw to, odpowiednio ustawiając względem siebie „Księżyc” i „Ziemię”.
Zademonstruj zaćmienie Księżyca (il. 1.28). „Księżyc” musi znaleźć się w cieniu „Ziemi”. W jakiej fazie Księżyca może się to wydarzyć?
Zademonstruj zaćmienie Słońca. Cień „Księżyca” musi padać na „Ziemię”. W jakiej fazie Księżyca może się to wydarzyć?

Współrzędne astronomiczne

Nasza planeta wiruje i my wraz z nią – znajdujemy się jak gdyby na karuzeli. Dlatego patrząc na niebo, widzimy, że wiruje ono wraz z gwiazdami. Łatwo zauważamy, że gwiazdy, podobnie jak Słońce, poruszają się ze wschodu na zachód. Widzimy tylko tę część nieba, która jest nad nami – nad horyzontem, gdyż pozostała część jest zasłonięta przez Ziemię. Linia graniczna horyzontu jest wyznaczona przez płaszczyznę styczną do powierzchni kuli ziemskiej w miejscu, w którym się aktualnie znajdujemy – patrz il. 1.30. W dzień, gdy jesteśmy zwróceni w kierunku Słońca, nie widzimy gwiazd, gdyż światło słoneczne rozproszone w atmosferze tłumi słabe światło gwiazd. To dlatego gwiazdy są widoczne tylko w nocy.

Ruch sfery niebieskiej — Ilustracja 1.30. **Obserwowany z Ziemi ruch sfery niebieskiej jest spowodowany ruchem wirowym Ziemi**

W określonej chwili widoczna jest tylko część nieba znajdująca się nad widnokręgiem

Położenia punktów na niebie określamy tak, jak współrzędne punktów na Ziemi (lub na globusie). Przyjmujemy zatem, że niebieski biegun północny znajduje się nad biegunem północnym Ziemi i leży na linii będącej przedłużeniem osi obrotu Ziemi (w przybliżeniu kierunek ten wyznacza Gwiazda Polarna). Odpowiednikiem równika ziemskiego jest równik niebieski. Posługujemy się odpowiednikami pojęć szerokości i długości geograficznej, którymi są $\delta$ – deklinacja i $\alpha$ – rektascensja (il. 1.31). Taki układ współrzędnych nazywamy układem równikowym.

Na dwóch rysunkach: (il. 1.30) i (il. 1.31) zaznaczono linię poprowadzoną od obserwatora do punktu leżącego nad jego głową na sferze niebieskiej, zwanego zenitem. Jest to oś główna tzw. horyzontalnego układu współrzędnych. Układ ten jest związany z położeniem obserwatora na Ziemi. Oś główna tego układu ma kierunek linii pionowej obserwatora. Na linii tej, po przeciwnej stronie zenitu, leży punkt, który nosi nazwę nadir. Istotnym elementem tego układu jest płaszczyzna prostopadła do pionu obserwatora przechodząca przez sferę niebieską wzdłuż wielkiego koła zwanego horyzontem. Położenie horyzontu nieznacznie różni się od widnokręgu, który zależy od wzniesienia obserwatora nad powierzchnią Ziemi.

Na sferze niebieskiej wyróżniamy ekliptykę. Jest to okrąg koła wielkiego, wzdłuż którego obserwuje się roczny ruch Słońca. Ruch ten jest skutkiem rocznego ruchu Ziemi dookoła Słońca. Płaszczyzna ekliptyki jest usytuowana pod kątem $23,5{}^{\circ}$ do płaszczyzny równikowej. Wartość ta wynika w prosty sposób z faktu, że oś obrotu Ziemi jest nachylona pod kątem ok. $66,5{}^{\circ}$ do płaszczyzny ekliptyki.

Niebieski biegun północny — Ilustracja 1.31. **Niebieskie bieguny – północny i południowy – wyznaczają oś główną równikowego układu współrzędnych**

Współrzędne położenia gwiazdy (żółte kółko) dane są przez rektascensję – kąt $\alpha$ , odpowiednik długości geograficznej, oraz przez deklinację – kąt $\delta$ , odpowiednik szerokości geograficznej. Kąt $\alpha$ mierzymy od punktu Barana (punkt równonocy wiosennej) oznaczonego symbolem $\Upsilon$

Znajomość układów współrzędnych astronomicznych pozwala na orientowanie się w położeniu różnych ciekawych obiektów na niebie i umożliwia posługiwanie się obrotową mapą nieba.

Pytania i problemy

Wyjaśnij, dlaczego Księżyc jest czasami widoczny w dzień, podczas gdy gwiazdy są zawsze niewidoczne za dnia.
Rozważ, dlaczego obserwowane światła gwiazd migoczą, a planet (np. Wenus czy Marsa) nie.
Podaj nazwę obiektu astronomicznego, do którego należy zdecydowana większość widocznych gołym okiem gwiazd.
Wyjaśnij, co to są konstelacje gwiazd, czyli tzw. gwiazdozbiory. Wytłumacz, skąd pochodzą ich nazwy. Rozważ, czy gwiazdy tworzące określoną konstelację na niebie są ze sobą powiązane (czy są blisko siebie).
Wyjaśnij, czym są tzw. „spadające gwiazdy”. Zastanów się i powiedz, czy pozostawiają one jakieś ślady na powierzchni Ziemi, Księżyca lub innych planet.
Opisz wygląd komety, jej możliwe rozmiary i ruch.
Wytłumacz, dlaczego Księżyc zmienia swoje oblicze. Wyjaśnij, wykorzystując w tym celu rysunek, dlaczego występują fazy Księżyca.