К.ф.-м.н. Кузьмичева А.Е, Золотарь М.В.

Западно-Казахстанский Государственный университет им. М.Утемисова, Казахстан

Всеволновая астрономия в содержании обучения

В настоящее время в школах Республики Казахстан физика и астрономия изучаются как единый предмет. Это важно учитывать в содержании подготовки будущего учителя. В интеграции физики и астрономии всеволновая астрономия может занять важное место, так как она позволяет показать обучаемым взаимную связь физической науки и астрономии. Включение в процесс обучения школьников вопросов всеволновой астрономии может способствовать повышению познавательной активности, стремлению к более глубокому пониманию физической картины окружающего мира.

Астрономия – одна из древнейших и интереснейших наук о Вселенной. В течение нескольких веков ученым была доступна информация из Космоса только на основе видимого света, испускаемого звездами, или рассеянного другими космическими объектами. Развитие теоретической электродинамики Дж.Максвелла, показавшей существование электромагнитных волн, как распространяющегося в пространстве переменного электромагнитного поля, изучение механизмов излучения и регистрации волн различного диапазона позволило обнаружить, что из космического пространства к Земле приходят электромагнитные волны всего диапазона. Их регистрация, исследование и анализ в настоящее время составляют значительную часть астрономических наблюдений и позволяют судить о процессах, происходящих в космическом пространстве. Астрономия стала всеволновой. Она представляет собой раздел астрофизики, изучающий космические объекты методом исследования электромагнитного излучения.

Особенности различных направлений всеволновой астрономии являются следствием особенностей волн соответствующего диапазона, их генерации и распространения. Исследования всего диапазона электромагнитных волн, приходящих к Земле из космического пространства, проводимые на Земле и в Космосе внесли и продолжают вносить большой вклад в исследование процессов, протекающих в окружающем нас пространстве, в понимание физической картины мира [1].

Далее рассматриваются разделы всеволновой астрономии в порядке увеличения диапазона используемых длин волн (уменьшение частот) от гамма – излучения до радиоволн.

Гамма-астрономия. Гамма-излучение – это самое коротковолновое электромагнитное излучение. Диапазон длин волн меньше чем 10^-8 см., 10^-10 м. Гамма-излучение генерируется при взаимодействиях электронов высоких энергий с заряженными частицами (тормозное излучение, синхротронное излучение, обратный Комптон эффект), при переходе ядер в основное состояние и при аннигиляционных процессах. Гамма-астрономия исследует космические объекты и процессы по характерному для них жесткому электромагнитному излучению с энергией фотонов выше 100 кэВ. Гамма излучение незначительно поглощается в межзвездной среде и поэтому может дойти до Земли с расстояний в сотни раз больших, чем фотоны видимого диапазона. Атмосфера Земли препятствует проникновению гамма излучения до земной поверхности, рассеивая и поглощая фотоны на высотах 30-50 км. Поэтому особенно важны наблюдения за пределами атмосферы [2, с. 108].

Рентгеновская астрономия исследует космические объекты по их рентгеновскому излучению с энергией фотонов от 0,1 до 100 кэВ, что соответствует длине электромагнитных волн от 100 до 0,1 Å. Рентгеновское излучение может генерироваться при движении заряженных частиц высокой энергии в магнитных полях. Так как атмосфера Земли препятствует прохождению волн рентгеновского диапазона к поверхности, то первые данные о радиоизлучении Солнца были получены при помощи аппаратов, поднятых на высотных ракетах только в 50-х годах 20 века. Выведение на орбиту искусственных спутников Земли с рентгеновскими телескопами позволило более детально изучить астрофизические механизмы генерации рентгеновского излучения [2, с.344].

Ультрафиолетовая астрономия имеет дело с длинами волн примерно от 100 до 3200 Ǻ (10—320 нм). Свет на этих длинах волн поглощается атмосферой Земли, поэтому исследование этого диапазона так же выполняют в верхних слоях атмосферы или непосредственно в Космосе. Ультрафиолетовая астрономия имеет большое значение для изучения горячих звёзд (классов O и B), поскольку основная часть их излучения приходится именно на этот диапазон. К объектам исследования ультрафиолетовой астрономии относится излучение голубых звезд, остатков сверхновых, активных галактических ядер. Однако ультрафиолетовое излучение легко поглощается межзвёздной пылью, поэтому в результаты измерений следует вносить поправку на неё. Источники мощного ультрафиолетового излучения не так часто встречаются в космосе. Наиболее высокую ультрафиолетовую светимость, причем, как правило быстропеременную, имеют активные ядра галактик и квазары [2, с. 782].

Оптическая астрономия. Видимое излучение, воспринимаемое человеческим глазом, с диапазоном длин волн от 380—400 нм. до 760—780 нм. называется видимым светом. Оптическая астрономия (астрономия видимого света) — древнейшая форма исследования Космоса. Астрономия как наука зарождалась именно как оптическая астрономия. Сначала наблюдения зарисовывали от руки. В конце XIX века и большей части ХХ века исследования осуществлялись по фотографиям. Сейчас изображения получают цифровыми детекторами, в частности детекторами на основе приборов с зарядовой связью. Соответствующее оборудование, применяемое в видимом диапазоне, позволяет исследовать ближний ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны [3].

Инфракрасная астрономия. Мощным источником инфракрасного излучения является Солнце [2, с. 227]. Инфракрасная астрономия относится к диапазону длин волн от 0,8 мкм - красная граница видимой области до 1 мм – условная граница с радиодиапазоном. Максимум интенсивности теплового излучения в инфракрасной области дают относительно холодные объекты с температурой от 3 К до 2-3 тыс. К: звезды поздних спектральных классов и окружающие их пылевые оболочки; звезды на начальных стадиях звездообразования, погруженные в протозвездные газопылевые облака; межзвездная пыль и газ, планеты и малые тела Солнечной системы. В длинноволновом участке инфракрасной области (субмиллиметровый диапазон) содержится основная часть энергии реликтового излучения, возникшевого на ранней стадии расширения Вселенной [4, с. 281].

Радиоастрономия. Источником радиоволн является любое нагретое тело, звезды, в том числе Солнце, галактики и метагалактики. Радиоизлучение генерируется и при некоторых процессах в земной атмосфере, например, при разряде молний (атмосферики), при возбуждении колебаний в ионосферной плазме [2, с. 608]. В радиодиапазоне исследуются все космические тела и их комплексы от тел солнечной системы до метагалактики, а также межпланетная и межзвездная среда, межзвездная пыль и тому подобное. Радиоволны приходят к Земле со всех направлений на различных частотах, но на уровне Земли часть волн поглощается в атмосфере. Поэтому большое значение имеет вынос приборов за пределы атмосферы. Важным направлением радиоастрономии является изучение космических объектов в различных радиолиниях: радиолиния 21 см нейтрального водорода, 18 см – гидроксил, 1,35 см – вода. В 1951 году была открыта предсказанная в 1944 году радиолиния водорода 21 см [4, с. 533]. Линия нейтрального водорода является важнейшей в радиоастрономии, так как более половины массы межзвздного вещества составляет нейтральный водород, который можно исследовать только в линии 21 см.

Наличие значительного количества информации в печатных изданиях и в Глобальной информационной сети (Интернет) позволяет организацию проектной деятельности по различным вопросам астрофизики, в том числе проблемным. Такая работа в школе может способствовать профессиональной ориентации учащихся на научную деятельность.

Литература:

1. Астрономия: век XXI / Ред.-сост. В.Г. Сурдин. – Фрязино: «Век 2», 2007. – 608 с.

2. Физический энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1983. – 544 с.

3. http://studopedia.su/7_20425_diapazoni-elektromagnitnogo-izlucheniya.html

4. Физика Космоса: Маленькая энциклопедия Редкол.: Р.А. Сюняев (Гл. ред.) и др. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Сов. Энциклопедия, 1986. – 783 с.