Sterrekunde

Sterrekunde (ook astronomie genoem, wat "die wette van die sterre" beteken) is 'n wetenskap wat die waarneming en verduideliking van gebeurtenisse buite die Aarde se atmosfeer behels. Die oorsprong/kosmologie, fisiese en chemiese eienskappe van voorwerpe wat in die hemelruim waargeneem kan word, word bestudeer. Waarnemings sluit die volgende in: mane, planete en eksoplanete, sterre, newels en sterrestelsels. Gebeurtenisse sluit in supernovas, gammastraaluitbarstings, die Oerknal en kosmiese agtergrondstraling.

Kosmologie is 'n onderafdeling van sterrekunde wat fokus op die studie van die oorsprong en evolusie van die heelal (dus, hoe alles begin en ontwikkel het) en behandel verskynsels wat buite die atmosfeer van die aarde voorkom, insluitend supernova-ontploffings, gammastraaluitbarstings, en kosmiese agtergrondstraling. Sterrekunde is een van die min wetenskappe waar amateurs steeds 'n rol speel, veral met die ontdekking en monitering van verskynsels van 'n verbygaande aard, soos komete en meteore.

Sterrekunde moenie met astrologie verwar word nie. Laasgenoemde is 'n versamelnaam vir idees oor die verband tussen die lot van mense en gebeurtenisse op aarde en die stand van die hemelliggame. Al het die twee velde 'n gemeenskaplike oorsprong, verskil hulle baie: Sterrekunde is 'n wetenskap, terwyl astrologie meer as bygeloof met skynwetenskaplike fundering aangehang word.

Sterrekunde as wetenskap

Sterrekunde behels die studie van materie in die talle vorme en bewegingspatrone waarin dit in die heelal voorkom. Die meeste inligting word verkry deur elektromagnetiese straling, waarvan sigbare lig net ŉ onderafdeling is. Hierdie straling word opgevang en verwerk met behulp van teleskope, radioteleskope, spektrograwe en ander sterrekundige instrumente.

Die ondersoek van die ruimte met behulp van ruimtesondes is net moontlik vir nabygeleë hemelliggame soos die maan en die planete. Die moderne sterrekunde is hoofsaaklik gerig op navorsing van die fisiese eienskappe van hemelliggame en van die ruimte (astrofisika). Dit lewer terselfdertyd ŉ belangrike bydrae tot die fisika omdat die uiterste toestande van die ruimte (baie hoe temperature, geweldige digthede, bykans algehele lugleegtes, ontsaglike magnetiese velde) nooit op aarde voorkom nie.

Die sterrekunde het ook te doen met die ontstaan en ontwikkelingsprosesse van alle soorte voorwerpe in die heelal, asook met die ontstaan van die heelal self. Die astrofisika het eers in die 20e eeu sedert die ontwikkeling van die tegnieke en beginsels van spektroskopie, atoomfisika, kernfisika en die relatiwiteitsteorie tot sy reg gekom. Sterrekundige navorsing en verwante sake word deur die Internasionale Astronomiese Unie (IAU) gekoördineer.

Kort geskiedenis

Sterrekundige studie was oorspronklik om politieke en godsdienstige redes van belang. Die praktiese aspekte het tydsbepaling en navigasie behels. Hiervoor was noukeurige waarnemings van die son, maan en sterre nodig. Op godsdienstige gebied was sterrekunde van belang omdat mense geglo het dat die bewegings en posisies van hemelliggame die gang van sake op aarde beïnvloed het. Die astrologie het hieruit ontwikkel.

In die vroeë geskiedenis het sterrekunde slegs waarnemings en voorspellings behels van hemelligame wat met die blote oog waargeneem kon word. Die Rigveda verwys na die 27 sterrebeelde wat met die beweging van die Son verbind word en die 12 sterrebeelde van die diereriem.

Die antieke Grieke het belangrike bydraes gemaak tot sterrekunde, onder meer die definisie van die helderheidstelsel. Die Bybel bevat 'n aantal stellings oor die posisie van die Aarde in die heelal en die aard van die sterre en planete, waarvan die meeste eerder digterlik as letterlik is. In 500 n.C. het Aryabhata 'n wiskundige stelsel voorgestel waarvolgens die Aarde om sy eie as draai en die beweging van die planete relatief tot die son oorweeg is.

Sterrekunde het gestagneer in die Middeleeuse Europa, maar het in die Arabiese wêreld gefloreer waar die belangrike werke van Brahmagupta in Arabies vertaal is. Laat in die 9de eeu het die Islamitiese sterrekundige Al-Farghani (Abu'l-Abbas Ahmad ibn Muhammad ibn Kathir al-Farghani) uitvoerig geskryf oor die beweging van hemelliggame. Sy werk is in die 12de eeu na Latyn vertaal. Laat in die 10de eeu is 'n baie groot sterrewag naby Teheran in Iran deur die sterrekundige Al-Khujandi gebou wat onder meer die skuinste van die aarde se wentelvlak (ekliptika) ten opsigte van die hemelewenaar bereken het.

In Persië het Omar Khayyam (Ghiyath al-Din Abu'l-Fath Umar ibn Ibrahim al-Nisaburi al-Khayyami) talle tabelle opgestel en 'n verandering van die kalender voorgestel wat akkurater was as die Juliaanse kalender en byna so akkuraat soos die Gregoriaanse kalender.

Tydens die Renaissance het Copernicus 'n heliosentriese model van die Sonnestelsel voorgestel. Sy werk is deur Galileo Galilei en Johannes Kepler uitgebrei, reggestel en verdedig. Galileo het teleskope begin gebruik om sy waarnemings te verbeter. Kepler het die eerste stelsel ontwikkel wat die bewegings van die planete om die Son as middelpunt in korrekte besonderhede beskryf het.

Kepler was egter nie suksesvol met die ontwikkeling van die toerieë vir sy wette nie. Newton se uitvinding van hemelligaamdinamika en sy swaartekragwet het eindelik die bewegings van die planete verduidelik. Die refleksieteleskoop is toe ook ontdek, wat waarnemings nog verder verbeter het.

Daar is bevind dat sterre verafgeleë voorwerpe was. Met die ontdekking van spektroskopie is bewys dat sterre soortgelyk aan ons eie Son is, maar met 'n groot verskeidenheid temperature, massas en groottes. Die bestaan van ons sterrestelsel, die Melkweg, as 'n aparte groep sterre is eers in die 20ste eeu bewys, saam met die bestaan van ander sterrestelsels. Die uitdying van die heelal soos waargeneem deur die oënskynlike uitwaartse beweging van die meeste sterrestelsels is ook ontdek. Kosmologie het in die 20ste eeu ’n reusevooruitgang beleef met die Oerknal-teorie wat sterk ondersteun word deur bewyse in sterrekunde en fisika, soos die kosmiese mikrogolfagtergrond en Hubble se wet.

Sterrebeelde

Sterrebeelde, of konstellasies, was aanvanklik net groeperings van helder sterre in die hemelruim. Hoewel die sterre in ŉ groep niks met mekaar te make het nie, is dit 'n gerieflike manier om sterre te identifiseer. Die sterrekundiges van ouds (blykbaar met heelwat verbeelding) het allerhande figure in die stergroeperings gesien en op die manier het die sterrebeelde hul name gekry, Baie daarvan was mitiese figure, soos Orion die Jagter en Aquarius die Waterdraer.

Die benamings van die sterrebeelde het moontlik nou saamgehang met die astrologie. Sommige sterrebeelde het reeds 4 700 jaar gelede hul name gekry, waarskynlik in Mesopotamië of Egipte. Die Babiloniërs het oorspronklik die hemelbol in 12 dele verdeel - die sogenaamde diereriem of Sodiak- en dit na nabygeleë sterrebeelde vernoem. In 270 v.C. het die skrywer Aratos 'n lang gedig geskryf waarin 48 sterrebeelde volledig beskryf is.

Tot die 17e eeu is min sterrebeelde tot die oorspronklike 48, wat feitlik almal in die Noordelike Halfrond was, bygevoeg. Die Fransman Lacaille het van 1751 af sterrekundige waarnemings aan die Kaap gedoen en 13 nuwe beelde in die suidelike sterrehemel benoem. Hy het ook die enorme beeld Argo (Skip) onderverdeel in Carina (Kiel), Pyxis (Kompas), Puppis (Agterstewe) en Vela (Seil). Hy het ŉ klein sterrebeeldjie Mons Mensae (Tafelberg) genoem, maar deesdae staan dit net as Mensa (Tafel) bekend. In 1928 is die hemelbol, in opdrag van die Internasionale Astronomiese Unie, in 88 sterrebeelde ingedeel. Die ou indelings is sover moontlik behou, maar die grense loop loodreg of ewewydig met die deklinasiesirkels.

Sterrekunde in die Oudheid

Die Chinese was 8 eeue v.C. reeds met waarnemings van verduisterings besig. Sedert die 2e eeu v.C. word daar in hul geskrifte melding gemaak van komete, planete, novas, sonvlekke, ensovoorts. Die supernova van 1054 n.C. is deur die Chinese waargeneem, maar daar is geen verwysing daarna in enige Westerse geskrifte gevind nie. In sommige lande is spesiale tempels en bouwerke opgerig om die sterre te bestudeer. Die konstruksie van Stonehenge, in Brittanje, het 24 eeue v.C. begin.

Stonehenge bestaan uit konsentriese rye van enorme klippilare en dit is blykbaar as 'n "kalender" gebruik, asook om verduisterings te voorspel. Soortgelyke kleiner konstruksies is ook in ander lande gebou: Woodhenge in die VSA en die druïdiese suile (menhirs) in Frankryk. Die oorsprong van die Westerse sterrekunde lê vermoedelik in die gebied tussen die Eufraat en die Tigris (Mesopotamië), waar koning Hammoerabi in die 18e eeu v.C. ŉ uitgestrekte ryk met Babilon as hoofstad tot stand gebring het.

Die beweging van hemelliggame het ŉ belangrike rol in die Babiloniërs se godsdiens gespeel en sterrekundige waarnemings is op kleitablette, waarvan talle bewaar gebly het, aangeteken. Die bewegings van die son en maan was so noukeurig bereken dat akkurate voorspellings van verduisterings gemaak kon word. In Egipte is studies van die son en maan se bewegings waarskynlik al in 3000 v.C. gedoen, hoofsaaklik om 'n kalender op te stel. Dit was belangrik omdat die jaarlikse oorstroming van die Nyl, waarvan die landbou afhanklik was, bepaal moes word.

Die Grieke se sterrekundige benadering was hoofsaaklik teoreties. Bespiegelings oor die aard en wese van die kosmos was van groter belang as wetenskaplike waarnemings. Pythagoras (500 v.C.) was die eerste persoon wat met die konsep van 'n bolvormige aarde vorendag gekom het. Philolaus van Tarente, 'n leerling van Pythagoras, het voorgestel dat die aarde om ŉ sentrale son beweeg, maar in die 2e eeu v.C. het Ptolemaeus (skrywer van die beroemde Almagest) verklaar dat die aarde die middelpunt van die heelal is en dat alle hemelliggame daarom beweeg.

Hierdie siening is eeue lank aanvaar, tot Copernicus dit in die 16e eeu bevraagteken het. Ongeveer 2 eeue v.C. het Eratosthenes op 'n vernuftige manier die omtrek van die aarde baie akkuraat bepaal. Hipparchos het in dieselfde tyd die eerste sterkatalogus saamgestel.

Middeleeue en Renaissance

Gedurende die Middeleeue was daar in Europa geen of min belangstelling in die sterrekunde. Die Mayas van Sentraal-Amerika het in die tyd merkwaardige vooruitgang gemaak op die gebied van kalenders en tydsberekening. Die Arabiere het ook in omstreeks die 8e eeu in die sterrekunde begin belang stel en talle ou Griekse en Persiese geskrifte vertaal. Hoewel hulle nie veel meer tot die sterrekunde bygedra het nie, was hulle 'n belangrike skakel tussen die sterrekundige kennis van die ou beskawings en die oplewing in Europa na die Middeleeue.

Die Renaissance is gekenmerk deur 'n nuwe benadering: eksperimentele werk en waarnemings het teoretiese bespiegelings vervang. Dit was nogtans moeilik om van eeue-oue konsepte ontslae te raak en Nicolaus Copernicus (1473-1543) se De Revolutionibus (1543), waarin hy verklaar het dat die aarde en planete om die son beweeg, is met minagting en vyandigheid begroet. Tycho Brahe (1546-1601), ŉ Deense sterrekundige, het Copernicus se stellings aanvaar.

Hy het sy eie sterrewag by Uranienborg gebou en met behulp van eenvoudige instrumente baie noukeurige waarnemings gedoen. In 1572 het hy die supernova -uitbarsting in die konstellasie van Cassiopeia waargeneem. Sy werk het 'n omvattende studie van die sonnestelsel en die akkurate posisiebepaling van 777 sterre behels. Johannes Kepler (1571-1630) het voortgebou op Brahe se werk en 3 wette oor die bewegings van planete om die son geformuleer.

Hy het onder meer bepaal dat die planeetbane nie rond is nie maar wel ellipties. Galileo Galilei (1564-1642) was die eerste persoon wat die sterre met behulp van 'n teleskoop bestudeer het. Na eksperimente met vallende en rollende voorwerpe (Stevin en Galilei) het dit duidelik geword dat daar 'n verband tussen swaartekrag en die bewegings van die planete bestaan. Ongeveer 'n halfeeu later het Newton die gravitasiewette geformuleer.

Die uitvinding van die teleskoop (vroeë 17e eeu) was een van die grootste deurbrake in die sterrekunde. Copernicus se stellings kon onomstootlik bewys word en ontdekkings in die hemelruim het mekaar vinnig opgevolg. Nuwe planeetmane en planete is ontdek (Uranus, 1781; Neptunus, 1846; Pluto, 1930) en die bestaan van dubbelsterre en veranderlike sterre. die wederkerende aard van sommige komete (Halley), die aard van newels en die bestaan van buitegalaktiese sterrestelsels, pulsars en kwasars is ontdek.

Twintigste eeu

In die eerste helfte van die 20e eeu het tegnieke soos fotometrie, termometrie, atoom- en molekulêre spektroskopie dit moontlik gemaak om die fisiese eienskappe van die planete en die son te bepaal. In 1905 het Hertzsprung die fisiese verskille tussen reusesterre en dwergsterre ontdek. Bethe en Von Weizsécker het in 1939 aangetoon dat die groot hoeveelhede energie wat deur sterre vrygestel word, van kernsmelting (waterstof in helium) afkomstig is.

In 1956 het Fowler beweer dat die swaar elemente in die massiefste sterre gevorm en deur supernova-ontploffings in die ruimte versprei word. Hartman het in 1904 aanduidings van groot hoeveelhede materie (interstellêre materie) tussen die sterre gevind en in die dertigerjare, toe 'n beter begrip van interstellêre absorpsie verkry is, kon 'n meer realistiese konsep van die grootte van die Melkwegstelsel gevorm word. In 1912 het Henrietta Leavitt ontdek dat die veranderlike sterre (Cepheïede) se flitsperiodes verband hou met hul helderheid.

Omdat die intensiteit van lig met die kwadraat van die afstand verminder, het hierdie waardevolle ontdekking sterrekundiges in staat gestel om die afstande van die Cepheïede te bepaal, en daarmee ook die afstande na ander sterre en selfs sterrestelsels. In 1913 het Hertzsprung vasgestel dat die Klein Magellaanse Wolk buite die Melkwegstelsel geleë en dus 'n afsonderlike sterrestelsel is. In die twintigerjare het Hubble die afstande na 'n paar "newels" gemeet en ontdek dat dit nie newels is nie, maar buitegalaktiese sterrestelsels.

Terselfdertyd het hy gevind dat die sterrestelsels met hoe snelhede van ons en van mekaar af wegbeweeg. Hierdie ontdekkings het aanleiding gegee tot die oerontploffingsteorie (Oerknal) oor die ontstaan van die heelal. Na die Tweede Wêreldoorlog het meer gesofistikeerde tegnieke beskikbaar geword om elektromagnetiese straling buite die sigbare deel van die spektrum op te vang en te meet. Die sterrekunde het begin vertak in radio-, infrarooi-, ultraviolet-, X-straal- en gamma-sterrekunde.

Die eerste radiobron in die hemelruim is toevallig in 1931 deur Karl Jansky in die rigting van die Melkweg se middelpunt ontdek. In die jare daarna is talle meer gevind. Sommige het geblyk buitegalaktiese sterrestelsels en kwasars (1960) te wees, ander was pulsars (1967). Die son en Jupiter straal ook radiogolwe uit. Radarsterrekunde (baie kort radiogolwe) is gebruik om die afstande na die nabygeleë planete akkuraat te meet.

Infrarooi-sterrekunde word gebruik om die temperature van hemelliggame te bepaal. X- en gammastrale, wat inligting verskaf oor die enorme hoeveelhede energie wat in die heelal vrykom, word deur instrumente in satelliete opgevang, omdat die meeste van die uiters kort golwe nie deur die aarde se atmosfeer kan dring nie. Vanweë lugbesoedeling word dit al hoe moeiliker om sterrekundige waarnemings van die aarde af te doen. Om hierdie rede word sterrewagte deesdae op afgeleë plekke opgerig. Ruimteteleskope kan egter baie meer inligting inwin.

Vertakkings

Professionele sterrekunde word dikwels verdeel in kosmologie en astrofisika. Laasgenoemde het te doen met die begip dat die Aarde en alle hemelliggame uit dieselfde skeikundige elemente bestaan en dieselfde natuurwette oral in die ruimte geld.

Toe sterrekunde nog in sy kinderskoene was, in die tyd van die antieke Grieke en ander antieke beskawings, het sterrekunde hoofsaaklik bestaan uit sterremeetkunde, waar die posisies van sterre en planete aan die hemelruim gemeet is. Later, met die werk van Kepler en Newton, is die weg gebaan vir hemelmeganika, die wiskundige voorspelling van die bewegings van die hemelliggame onder die invloed van swaartekrag, veral die voorwerpe in ons Sonnestelsel.

Van die begin van die 20ste eeu af is professionele sterrekunde dikwels verdeel in waarnemende sterrekunde en teoretiese astrofisika. Eersgenoemde is meestal gemoeid met die insameling en verwerking van data en laasgenoemde met die meetbare implikasies van fisikamodelle.

Onderwerpe

’n Gravitasielenseffek. Die foto wys verskeie blou, lusvormige voorwerpe wat verwronge beelde van sterrestelsel is wat deur die tros geel sterrestelsels naby die foto se middel veroorsaak word.

Die studievelde kan ook verdeel word volgens die onderwerp wat bestudeer word:

Sterremeetkunde: die studie van die ligging van hemelliggame en die verandering daarvan. Dit definieer die koördinaatstelsel en die bewegingsleer van voorwerpe in die heelal.
Astrofisika (fisiese sterrekunde): die studie van die fisika van die heelal, insluitende die fisiese eienskappe (ligsterkte, digtheid, temperatuur en chemiese samestelling) van voorwerpe.
Kosmogonie: die studie van die oorsprong van die heelal en sy evolusie.
Kosmologie: die studie van die struktuur, ontstaan, algemene geskiedenis en toekoms van die heelal.
Evolusie: die studie van die vorming van hemelliggame en die veranderings wat hulle ondergaan.
Sterstelselkunde: die studie van die struktuur en onderdele van die Melkweg en ander sterrestelsels.
Planetêre wetenskap: die studie van die planete van die sonnestelsel.
Astrobiologie: die studie van die oorsprong en ewolusie van biologiese stelsels in die heelal.

Maniere waarop inligting verkry word

In sterrekunde word inligting hoofsaaklik verkry deur die waarneming en ontleding van elektromagnetiese straling, fotone, kosmiese straling, neutrino's, meteore en dalk in die toekoms swaartekraggolwe.

Die DSS 51 26 m radioteleskoop by die Hartebeesthoek Radio-astronomie Sterrewag, 65 km noordwes van Johannesburg af.

'n Tradisionele verdeling van sterrekunde volgens die deel van die elektromagnetiese spektrum wat waargeneem word, is:

Optiese sterrekunde, die tegnieke wat gebruik word om lig te bespeur van golflengtes wat die blote oog kan sien (omtrent 400-800 nm). Die mees algemene apparaat is die teleskoop met elektroniese kameras en spektrograwe.
Infrarooisterrekunde, wat gemoeid is met die waarneming van infrarooistraling (golflengtes korter as dié van rooi lig). Die mees algemene apparaat is die teleskoop wat aangepas is vir infrarooilig. Ruimteteleskope word ook gebruik om die elektromagnetiese steurings van die atmosfeer uit te skakel.
Radiosterrekunde is die waarneming van hemelliggame se uitgestraalde radiogolwe. Die ontvangers is soortgelyk aan dié wat gebruik word vir radio-uitsendings.
Hoë-energie-sterrekunde: Die studie van hemelliggame wat hoë-energie-elektromagnetiese golwe vrystel. Dit sluit X-strale, gammastrale, ultravioletstrale, neutrino's en kosmiese straling in.

Optiese en radiosterrekunde kan beoefen word met aardgebaseerde sterrewagte omdat die Aarde se atmosfeer liggolflengtes deurlaat. Infrarooilig word sterk deur waterdamp geabsorbeer, daarom moet infrarooisterrewagte op hoë en droë plekke of in die ruimte geleë wees. Ook X-strale, gammastrale en UV-strale word deur die atmosfeer beïnvloed sodat daardie waarnemings vanaf ballonne, ruimtesterrewagte of satelliete soos Swift gedoen moet word.

Katalogisering en sterkaarte

Die vinnig toenemende kennis van die sterrekunde gedurende die afgelope paar eeue het katalogisering genoodsaak. In 1603 het Johann Bayer 'n stelsel aan die hand gedoen waarvolgens die helderste ster in elke sterrebeeld die Griekse letter $\alpha$ kry. Sirius is byvoorbeeld $\alpha$ Canis Majoris (Groot Hond). Die tweede helderste ster in die Groot Hond is dan $\beta$ Canis Majoris, ensovoorts.

In John Flamsteed se katalogus (1725) word die sterre in elke sterrebeeld volgens hul posisie, van wes na oos in die hemelsfeer, genommer, by voorbeeld 61 Cygni, 62 Cygni, ensovoorts. Sterre wat nie in hierdie twee katalogusse voorkom nie, kry kodeletters uit ander katalogusse, byvoorbeeld die van Hevelius (1690), Bode (1801) of Gould (1879): 10 H. Cancri, 149 B. Geminorum of 252 G. Aquarii.

Die Bonner Durchmusterungkatalogus, BD (1859- 1862), bevat 324 000 sterre en die Cordoba Durchmusterungkatalogus, CD (1929), het 'n lys van 580 000 sterre. Hierdie twee katalogusse, gebaseer op visuele waarnemings, dek die noordelike en die suidelike hemelsfere. Die Henry Draper-katalogus, HD, bevat die posisies, helderhede en spektraaltipes van 225 300 sterre. Die fotografiese atlas van die hemelruim is in 1914 deur Franklin Adams opgestel en bevat 206 sterkaarte.

Een van die jongste katalogusse is die SAO Sterkatalogus van die Smithsonian-Astrofisiese Sterrewag in die VSA. Hans Vehrenberg se atlas (1962-1964) is onder amateursterrekundiges baie gewild. Dit bevat sterkaarte van die hele hemelsfeer en sluit voorwerpe tot by die 15e magnitude in. 'n Ster kan dus verskillende nommers hê, afhangende van die klassifikasie wat gebruik word. Antares is dus a Scorpii, 21 Scorpii, ZC 2366, HD 1484 78, SAO 184415, ensovoorts.

Dubbelsterre verskyn in spesiale katalogusse, soos die ADS (Aitken Double Stars). Die helderste komponent van 'n dubbelster kry die letter A, die volgende een 'n B (of C, as daar meer is), byvoorbeeld Sirius A en Sirius B. Veranderlike sterre word geklassifiseer deur letters van R af voor die van die sterrebeeld te plaas. Na Z word dubbelletters vanaf RR tot ZZ gebruik en dan weer vanaf AA tot QZ. Voorbeelde: SS Cygni, BQ Orionis. Indien nog meer veranderlike sterre in 'n sterrebeeld ontdek word, word die letters V en ŉ nommer gebruik: V449 Cygni.

Novas word op dieselfde manier geklassifiseer: Nova Herculis 1934 is DQ Herculis. Sterrehope, newels en sterrestelsels (wat oorspronklik as newels beskou is) word op 'n paar maniere geklassifiseer. Een daarvan is die letter M en 'n nommer uit Messier (1784) se katalogus. M42 is die Orion newel en die Andromeda-sterrestelsel is M31. Dit kan ook deur die letters NGC (New general catalogue of nebulae and clusters of stars deur Dreyer, 1888) of IC (Index catalogue) en 'n nommer aangedui word. Andromeda is dus ook NGC224.

Sterrekundige meetinstrumente

Sterrekundige instrumente is instrumente waarmee die elektromagnetiese straling van hemelliggame opgevang en geanaliseer word. Die 3 instrumente wat vir die snelle vooruitgang van sterrekunde in die afgelope paar eeue verantwoordelik is, is die teleskoop, die spektroskoop, waarmee sterlig geanaliseer word, en die fotografiese plaat, waarmee permanente, akkurate rekords van die sterrehemel gemaak word. Tot onlangs kon net die sigbare gedeelte van die straling waargeneem word, maar met die moderne instrumente kan die kort golwe (ultraviolet, X-straal en gamma) en die langer golwe (infrarooi, radar, radio) ook opgevang word.

Die posisie (rigting) van ŉ voorwerp, die intensiteit van die golflengtes wat dit uitstraal, en enige veranderings in albei, kan direk gemeet word. In die Oudheid was slegs instrumente beskikbaar wat posisies kon meet. Die enigste manier waarop tyd gemeet kon word, was met die skaduweewyser, 'n vertikale stok waarvan die skaduwee se lengte en rigting die uur en die tyd van die jaar aangedui het. Eenvoudige instrumente, soos die astrolabium en kwadrant, is gebruik om hoeke en hoogtes mee te meet.

In die 17e eeu het die uitvinding van die slingerhorlosie dit moontlik gemaak om tyd akkuraat te meet. Die sekstant en oktant het in die 18e eeu hul verskyning gemaak en van die tweede helfte van die 19e eeu af het spektroskopie, fotografie en fotometrie totaal nuwe gebiede in die sterrekunde geopen. Fotografie maak dit moontlik om hemelliggame wat te dof is vir die blote oog, deur 'n teleskoop te registreer. Dikwels moet tydopnames, wat soms 'n paar nagte lank duur, van baie dowwe voorwerpe gemaak word.

Die helderheid van 'n ster word gemeet deur 'n fotografiese plaat met ŉ fotometer af te tas. Uit die lesings van die fotometer kan die helderheid van die afsonderlike sterre afgelei word. Die grondslag van spektrumanalise is in 1815 deur Fraunhofer gelê toe hy Newton se eksperiment van sonstrale deur 'n glasprisma herhaal het. Hy het talle donker lyntjies in die spektrum van sonlig ontdek maar kon hul aanwesigheid nie verklaar nie.

'n Halfeeu later het Kirchhoff ontdek dat die lyne veroorsaak word deur die elemente wat tussen die ligbron en die waarnemer aanwesig is. 'n Spektroskoop, wat saam met ŉ teleskoop gebruik word, is 'n instrument waarmee golflengtes van 300 nm (ultraviolet) tot 1 000 nm (infrarooi) visueel geanaliseer word (1 000000 nm= 1 cm). 'n Spektrograaf registreer die spektrum van ŉ ligbron op 'n fotografiese plaat of op 'n beeldbuis. Die spektrum van uiters warm vaste stowwe en gasse by hoë druk is deurlopend ('n hele reeks golflengtes).

'n Lynspektrum word deur gasse by baie hoe temperature maar lae druk veroorsaak. Elke lyn dui 'n bepaalde golflengte aan, kenmerkend vir die element aanwesig in die gas. 'n Bandspektrum word verkry wanneer die lyne baie dig op mekaar gepak is. 'n Absorpsiespektrum bestaan uit donker lyne - 'n aanduiding dat sekere golflengtes deur materie tussen die ligbron en die waarnemer geabsorbeer is. Die spektrum van 'n ster dui die chemiese samestelling van sy atmosfeer aan, asook sy temperatuur, die grootte en rigting van sy radiale snelheid (doppler-verskuiwing) en sy rotasiesnelheid.

Die spektroskopie het ook lig gewerp op die probleem van die aard van newels. Alle ligvlekke is altyd as gas newels beskou, maar die teleskope waste swak om die afsonderlike sterre van buitegalaktiese sterrestelsels, wat soos newels vertoon het, te onderskei. Omdat sterrestelsels 'n deurlopende spektrum gee, terwyl gasnewels se spektra emissielyne vertoon, is dit maklik om hulle te onderskei. Die uitvinding van die teleskoop in die vroeë 17e eeu was een van die grootste deurbrake in die sterrekunde.

Miljoene voorwerpe wat te dof of te ver vir die blote oog was, asook klein besonderhede op naderliggende hemelliggame, kon toe waargeneem word. In 1917 is 'n 2,5-m- reflektorteleskoop by die Mount Wilsonsterrewag in die VSA opgerig. Daar is 'n hele paar groot teleskope in die VSA, onder meer die 5,08-m reflektor by Palomar (1950) en die 3- m-teleskoop by die Lick-sterrewag (1959). Die grootste teleskoop ter wêreld is die 6-m-reflektor van die USSR in die Kaukasiese gebergte.

Enorme veelvuldige spieël modelle wat uit 6 spieëls van 10 m elk bestaan, word vir die toekoms beplan. Die grootste infrarooiteleskoop (3,8 m), wat spesiaal ontwerp is om infrarooistraling op te vang, is by die Mauna Kea-sterrewag in Hawaii opgerig. Mauna Kea, 'n hoë, uitgebrande vulkaan, se atmosfeer is baie droog en skoon en dit is ideaal vir sterrekundige waarnemings. Omdat die kort golwe van die elektromagnetiese spektrum nie deur die osoonlaag bo in die aarde se atmosfeer kan dring nie, kan gamma-, X- en ultraviolet strale net deur teleskope en meetinstrumente in satelliete opgevang word. Sedert 1977 het Nasa (National Aeronautics and Space Administration) 'n reeks HEAO-satelliete (High Energy Astronomy Observatory) in 'n baan om die aarde geplaas.

Die eerste een het 1 500 X-straalbronne in die ruimte ontdek. Die sterkste X-straalbron in die Melkweg is Scorpius X-1. Die derde satelliet se taak was om kosmiese en gammastrale te bestudeer. 'n Groot ruimteteleskoop met ŉ spieël van 2.4 m in deursnee kan voorwerpe wat 50 keer dowwer is as die wat met teleskope op aarde waargeneem word, opspoor. Dit beteken dat sterrekundiges 7 keer verder kan sien, en die volume van die ruimte wat waargeneem word, is 350 keer groter.

Radioteleskope vang strale met golflengtes tussen 'n paar millimeter en 20 tot 30 mop. Hulle word gebruik om die rigting, intensiteit en intensiteitsveranderings van radiogolwe (byvoorbeeld van pulsars) te bepaal. Radioteleskope lyk soos enorme skottels. Die grootste radioteleskoop is die 300-m-skottel by Arecibo in Porto Rico, wat in ŉ natuurlike kom in die berge ingebou is. Die meeste sterrekundige meetinstrumente werk deesdae outomaties en die sterrekundiges se taak is om die groot hoeveelhede inligting le interpreteer.

Korreksies by sterrekundige metings en waarnemings

Die straling afkomstig van hemelliggame word deur die digtheidsveranderings in die aarde se atmosfeer gebuig (refraksie). As ŉ voorwerp, soos 'n ster, reg bokant ŉ waarnemer is (senit), is daar min refraksie omdat die liggolwe loodreg op die atmosfeer inval. Op die horison is die refraksie tot 36 boogminute. Refraksietabelle gee die mate van refraksie aan vir verskillende posisies tussen die senit en die horison. Turbulensie in die atmosfeer veroorsaak ook vonkeling (ŉ gedurige verandering in helderheid), asook 'n effense verandering in posisie.

Dit bemoeilik akkurate fotografiese opnames. Ekstinksie van lig beteken die afname in 'n voorwerp se helderheid vanweë die absorpsie en verstrooiing van liggolwe in die atmosfeer. Hoe nader aan die horison, hoe groter die mate van ekstinksie, omdat die ligstrale 'n langer afstand deur die atmosfeer moet trek. Afgesien van die korreksie wat hiervoor gemaak moet word, word ŉ korreksie van 0,23 magnitude aangebring vir die helderheid soos dit buite die atmosfeer waargeneem sal word.

Sterrewagte

Die sterre betower die mensdom al duisende jare. Sterrekundige geskrifte uit die vroegste eeue het behoue gebly, asook tempels en monumente waarvan die struktuur en ligging daarop dui dat dit vir sterrekundige waarnemings gebruik is. Bouwerk aan Stonehenge in Brittanje het ongeveer 24 eeue v.C. begin. Massiewe klippilare is in konsentriese sirkels opgerig en die hele konstruksie is klaarblyklik vir sterrekundige waarnemings en voorspellings van verduisterings gebruik.

Oeloeg Beg, die kleinseun van die Mongoolse veroweraar Timoer Lenk, het in die begin van die 15e eeu 'n sterrewag by Samarkand laat oprig. Die oudste Europese sterrewag is die Vatikaansterrewag (Rome), wat in 1580 in opdrag van pous Gregorius XIII gebou is. Waarnemings om die destydse kalender aan te pas, is van hierdie sterrewag af gedoen. Die sterrekundige Tycho Brahe het in 1576 met die bou van sy eie sterrewag, Uranienborg, begin. Brahe het baie klem gelê op die noodsaaklikheid van wetenskaplike waarnemings en eksperimente en het sy sterrewag van die beste beskikbare instrumente voorsien.

In die 17e eeu, na die uitvinding van die teleskoop, is talle klein sterrewagte in Europa gebou. Sommige van hulle was aan universiteite verbonde. Die beroemde Greenwich-sterrewag in Londen is in 1675 opgerig. Gedurende die 18e en die 19e eeu is groot sterrewagte in die meeste Westerse lande gebou, byvoorbeeld die Sydney-sterrewag in Australië (1786), die Harvard-sterrewag in die VSA (1839) en die Poelkowo-sterrewag in die USSR. In 1829 het die Britse regering ook die Koninklike Sterrewag in Kaapstad geopen.

Die sterrewag is sedertdien na 'n plek buite Londen verskuif. Die oorspronklike terrein was presies op die 0° lengtelyn, van waar alle lengtelyne gemeet word, geleë. Mount Wilson, naby Los Angeles in die VSA, is in 1904 opgerig. Die waarnemings wat deur sy 2,54 -m-reflektorteleskoop gedoen is, was die eerste bewyse van die aard van sterrestelsels (voorheen is hulle as newels beskou) en die eerste aanduiding van die ontsaglike grootte van die heelal.

Mount Palomar in Kalifornië (VSA) en Mount Wilson word ook die Hale-sterrewagte genoem, na die sterrekundige George Hale, onder wie se leiding hulle opgerig is. Mount Palomar (gebou in 1928) se 5-m-reflektorteleskoop was tot in 1976 die grootste teleskoop ter wêreld. Die grootste teleskoop vandag behoort aan die USSR. Dit het ŉ enorme reflektor met 'n deursnee van 6 m en 'n massa van 70 ton wat in 1976 in 'n sterrewag in die Kaukasiese gebergte geïnstalleer is Die teleskoop is so sterk dat 'n kersvlam op 'n afstand van 24 000 km waargeneem kan word. Die grootste enkeleenheid-radioteleskoop is by die Arecibo-sterrewag in Porto Rico geleë. Dit is 'n skottel met 'n deursnee van 300 m wat in 'n natuurlike kom in die berge ingebou is.

Die teleskoop word vir radio- en radarsterrekunde gebruik. Sterrewagte word deesdae sover moontlik op afgeleë plekke of hoë berge opgerig om lugbesoedeling en ander steurings te vermy. Die hoogste sterrewag is die Mauna Kea-sterrewag op 'n uitgedoofde vulkaan in Hawaii. Dit le 4 205 m bo seevlak. Die Cerro Tololo Inter-american- sterrewag (2 200 m) is in die Andesgebergte in Chili geleë. Verskeie sterrewagte is gedurende die afgelope eeu in Suid-Afrika opgerig: Boyden (Maselspoort), Lamont-Hussey (Bloemfontein), Redcliffe-sterrewag (Pretoria), Union, wat later Republiek geword het (Johannesburg), die Natal-sterrewag (Durban), ensovoorts.

Sommige is deur buitelandse universiteite of institute opgerig en later weer gesluit. In 1972 is 'n ooreenkoms deur die WNNR en die SRC (Science Research Council) van Brittanje aangegaan om gesamentlike sterrekundige navorsing te onderneem. Sutherland in die Karoo is gekies as sent rum van die SAAO, die Suid-Afrikaanse Astronomiese Observatorium, en in 1973 is 'n groot sterrewag by die dorp in gebruik geneem. Een van die teleskope, ŉ reflektor met 'n deursnee van 1,85 m, is die grootste in Afrika. Die weersomstandighede van Sutherland is ideaal vir sterrekundige waarnemings: dit is ver van stede se lig en besoedeling geleë, daar is geen radiosteurings nie en die getal onbewolkte dae per jaar is besonder hoog.

Hartebeesthoek naby Pretoria het 'n radioteleskoop. Van hier af word onder meer satellietopsporing gedoen. Deur die eeue het die doel van sterrewagte oorgeskakel van die praktiese (posisiebepalings van hemelliggame vir navigasie en tyd- meting) na 'n wetenskaplike studie van die sterre. 'n Sekere mate van spesialisering het ook by die verskillende sterrewagte ontstaan. By Jodrell Bank (Brittanje) word byvoorbeeld navorsing gedoen om die aard van verafgeleë radiobronne te bepaal.

Die studie van veranderlike sterre is een van die hoofrigtings van die Sutherland-sterrewag. Sterrewagte bly in verbinding met mekaar, sodat nuwe inligting so gou moontlik uitgeruil kan word. Hulle is ook internasionaal van karakter omdat instrumente van 'n sterrewag dikwels deur sterrekundiges van ander lande vir 'n sekere tydperk "bespreek" kan word. In 1909 is die Internasionale Astronomiese Unie (IAU) gestig om alle sake rakende die sterrekunde te koordineer.

Radiosterrekunde

Die radiosterrekunde is 'n betreklik nuwe vertakking van die sterrekunde. Dit behels die ontleding van elektromagnetiese straling in golflengtes wat wissel tussen 'n paar millimeter en 20 tot 30 m, met behulp van radioteleskope. Die bestaan van radiobronne in die ruimte is in 1931 toevallig deur Karl Jansky, 'n Amerikaanse radioingenieur, ontdek. Jansky het swak, gereelde seine opgevang en gevind dat hulle uit die rigting van die Melkweg se middelpunt kom. Reber, 'n radio-amateur, het Jansky se werk voortgesit en in 1942 het hy die eerste "radiokaart" van die lugruim gepubliseer.

Daar was 4 gebiede van waar sterk radiostraling gekom het: die Melkwegmiddelpunt en die konstellasies Cygnus, Cassiopeia en Puppis. Intussen het Hey die radiostraling vanaf die son ontdek. In 1944 het Van de Hulst beweer dat die neutrale waterstofgas in die ruimte radiogolwe met 'n golflengte van 21 cm moet uitstraal, maar dit is eers in 1951 deur Ewen en Purcell opgespoor. Die Australiërs Kerr en Hindemann het ook 21-cm-straling van albei Magellaanse Wolke opgevang.

Na die Tweede Wêreldoorlog het radio-interferometrie vinnig ontwikkel. Die tegniek maak dit moontlik om radiobronne in besonderhede te bestudeer en hul posisies noukeurig te bepaal. In 1951 het Baade en Minkowski 2 sterk radiobronne gevind en ontdek dat hulle ooreenstem met optiese (sigbare) voorwerpe. Die een, Cygnus A, was 'n buitegalaktiese sterrestelsel en die ander, Cassiopeia A, was 'n dowwe newel in die Melkweg. Radiostraling kom dus van oral in die heelal.

Radio-sterrestelsels, soos Cygnus A, straal 1 000 000 keer meer radiogolwe as gewone sterrestelsels uit. Enorme ontploffings is blykbaar in hul kerne aan die gang. In 1960 is radiostraling vanaf kwasars ontdek. Kwasars is voorwerpe wat opties soos sterre lyk, maar sommige sterrekundiges meen dat hulle sterrestelsels is wat ontsaglik ver van ons geleë is. Pulsarradiostraling is in 1967 ontdek. Pulsars is vinnig roterende neutronsterre wat reëlmatige radiopulse uitstraal.

Radiogolwe word opgewek wanneer gelaaide deeltjies versnel of vertraag word. Termiese radio-emissie word veroorsaak wanneer vrye elektrone uit hul bane gedwing word, byvoorbeeld deur hoë temperature. Die son se korona is ook verantwoordelik vir termiese radio-emissie. Nie-termiese radio-emissie word op verskillende maniere veroorsaak, byvoorbeeld deur sinchrotronstraling, wat opgewek word wanneer uiters vinnig bewegende elektrone in 'n wisselende magneetveld beland.

Hierdie tipe straling kom van pulsars. Die vinnige elektrone is blykbaar van hewige ontploffings, soos supernova- uitbarstings, afkomstig. Termiese en nie-termiese radio-emissie is voorbeelde van aaneenlopende radio-emissie wat oor die hele radiospektrum geregistreer word. Wolke van neutrale waterstof in die ruimte straal radiogolwe van 21-cm-golflengte uit en dit veroorsaak emissielyne op die radiospektrum. Hierdie straling het sterrekundiges in staat gestel om vas te stel hoe die waterstofwolke in die Melkwegstelsel versprei is. Die verspreiding van die wolke het die vermoede dat die Melkweg spiraalvormig is, bevestig.

Radarsterrekunde

Radarsterrekunde word gebruik om die lede van die sonnestelsel te bestudeer. Radiopulse word met behulp van 'n sterk sender na ŉ voorwerp (die maan, 'n planetoïed, ensovoorts) gestuur en die weerkaatste straal word dan geanaliseer. Dit verskaf inligting oor die afstand na die voorwerp en besonderhede van sy oppervlak. Radarseine se golflengtes wissel van 10 cm tot 'n paar meter. Die sein se eggo is gewoonlik baie swak omdat die intensiteit van die weerkaatste straal omgekeerd eweredig is aan die vierde mag van die afstand.

Om hierdie rede word senders met 'n vermoë van 1 000 kW gebruik om die seine uit te send. Sterk gerigte antennes word ook gebruik om 'n bundel strale wat so dun moontlik is, uit te straal. Die meeste antennas is parabolies van vorm, met 'n deursnee van tientalle meter. Radioteleskope, soos die massiewe skottel by Arecibo in Porto Rico, word gebruik om die radarstrale uit te send. Die totale afstand wat die radiopuls trek (heen en terug), is gelyk aan die tydverskil tussen die uitsending en die ontvangs van die sein, vermenigvuldig met sy snelheid, dit wil sê die snelheid van lig.

Die afstand van die voorwerp (byvoorbeeld die maan) is gelyk aan die helfte van die totale afstand. Reeds in die vroeë sestigerjare is die afstand na Venus op hierdie manier akkuraat bepaal. Ruimtesondes met radarapparaat word deesdae gebruik om 'n beeld te verkry van die bodemreliëf van ŉ planeet soos Venus, wat vanweë sy wolkbedekking onsigbaar is. Soortgelyke radarreliëfkaarte is van die maan, Mars en ander planete en mane gemaak.

Ontstaan van die heelal

Kosmologie (die ondersoek van die oorsprong, struktuur en evolusie van die heelal) het veral in die 20e eeu ontwikkel, namate groot teleskope en moderne meetinstrumente beskikbaar geword het. Een van die belangrikste ontdekkings (ongeveer 1924) was dat die Melkweg nie die enigste sterrestelsel is nie, maar dat daar miljoene ander stelsels in die ruimte is. Die heelal is dus baie groter as wat enigeen ooit gedroom het. In 1929 het Edwin Hubble, ŉ Amerikaanse sterrekundige, ontdek dat al die sterrestelsels blykbaar met ontsaglike snelhede van ons af wegbeweeg.

Hy het ook gevind dat die radiale snelheid (die snelheid van die beweging in die gesigslyn) van 'n sterrestelsel eweredig met die afstand van die stelsel toeneem, met ander woorde, hoe verder die stelsel geleë is, hoe vinniger beweeg dit. Hubble het dit uitgedruk as:

uitdyingsnelheid = ${\frac {Afstand}{T}}$ en ${\frac {1}{T}}$

word Hubble se Konstante genoem. Die omgekeerde van Hubble se Konstante, T, is 'n aanduiding van die ouderdom van die heelal. T lê tussen 10¹⁰ en 2 X 10¹⁰ jaar, dit wil sê, tussen 10 miljard en 20 miljard jaar (as die uitdyingsnelheid altyd konstant was). Die snelheid van ŉ sterrestelsel kan uit die dopplereffek (die rooiverskuiwing van sy spektraallyne) bepaal word. Verskeie heelalmodelle is opgestel om die oorsprong en die evolusie van die heelal te verklaar.

Einstein het vroeg reeds 'n statiese, gekromde heelal voorgestel, maar nadat Hubble ontdek het dat die heelal besig is om uit te dy, is dit verwerp. Alexander Friedman en Georges Lemaître se nie-statiese modelle het aanleiding gegee tot George Gamow se oerontploffingsteorie ("big-bang theory"). Volgens hierdie teorie was al die materie in die heelal oorspronklik in 'n "oeratoom" gekonsentreer. In 'n ondenkbare groot ontploffing is al die materie en energie uitgeskiet.

Na mate dit begin afkoel het, het dit begin kondenseer en die sterrestelsels het vorm aangeneem. 'n Heelal wat vanweë so 'n oerontploffing ontstaan het, se ontwikkeling kan op 2 maniere verloop: As die uitdying onbelemmer voortgaan, sal die heelal uiteindelik doodloop - die sterre sal een-een uitbrand en die sterrestelsels sal verdoof. Die moontlikheid bestaan egter dat al die materie weer deur swaartekrag teruggetrek sal word. In die geval sal die uitdying voortgaan totdat swaartekrag weer die oorhand kry en al die sterrestelsels na 'n sentrale punt begin terugval.

Dit kan aanleiding gee tot die volgende "oerontploffing" en die hele siklus word oor 'n tydperk van triljoene jare herhaal. In 1948 het Hoyle, Bondi en Gold met die bestendigetoestandhipotese vorendag gekom. Volgens hierdie model word die yler wordende, uitdyende heelal gedurig aangevul deur nuwe materie wat geskep word. In 1965 het hierdie teorie 'n knou gekry nadat swartstraling met 'n temperatuur van 3 K in die ruimte ontdek is. George Gamow en andere het in die veertigerjare verklaar dat indien 'n oerontploffing plaasgevind het, daar nog laetemperatuuroorblyfsels van die energie-uitstraling te vinde moet wees. Die ontdekking van swartstraling het hul teorie versterk.

Die Mier-newel, 'n voorbeeld van die uitstorting van gas deur 'n sterwende ster (in die middel). Dit laat simmetriese patrone ontstaan wat anders lyk as die chaotiese patrone wat van ’n gewone ontploffing verwag sou word.