Классическая астрономия

Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Московский педагогический государственный университет

В. М. Чаругин

КЛАССИЧЕСКАЯ АСТРОНОМИЯ

Учебное пособие

МПГУ

Москва
2013

УДК 52 
ББК 22.6
       Ч237

Рецензенты:

И. В. Разумовская, зав. кафедрой физики твердого тела 
(с секцией астрономии) МПГУ, д-р хим. наук, профессор

М. В. Попов, зав. отделом «Радиоастрономия» 

АКЦ ФИАН РАН, д-р физ.-мат. наук

Ч237   В. М. Чаругин. Классическая астрономия: Учебное

пособие. – М.: МПГУ, 2013. – 214 с. 

Предлагаемое пособие «Классическая астрономия» представляет

собой первую часть курса по общей астрономии и предназначено
для студентов педагогических вузов, изучающих астрономию по
учебным планам бакалавриата и магистратуры физической и
математической специальностей. Пособие содержит все основные
сведения из классических разделов астрономии, а также элементы
теории запуска искусственных небесных тел.

В книге изложены основы астрометрии и небесной механики, 

показаны принципы современных практических и теоретических
методов изучения видимого положения и пространственного
движения небесных тел и их систем.

ISBN  978-5-7042-2400-6 

© МПГУ, 2013 
© Издательство «Прометей», 2013

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебное пособие представляет собой первую часть 
общего курса астрономии, который на протяжении многих лет 
читался автором студентам факультета физики и информационных технологий МПГУ. В пособии излагаются основные вопросы 
классической астрономии – астрометрии и небесной механики. 
Автор придерживался современных взглядов на методику преподавания, учитывающих межпредметные связи, тем более что курс 
излагался студентам после изучения ими общей физики и высшей 
математики. 

§ 1. Предмет астрономии

Астрономия – наука о физическом стр оении, движении, происхождении и эволюции небесных тел, их систем  и Вселенной в 
целом.
Объекты, изучаемые в астрономии, весьма разнообразны. 
Перечень их по мере развития астрономии непрерывно возрастает, постоянно подтверждая неисчерпаемость и многообразие 
материального мира. Традиционными объектами астрономических исследований являются Солнце, звезды, планеты и их спутники, метеорные тела, туманности, звездные скопления, звездные 
системы и вся Вселенная в целом. С прогрессом науки связано 
открытие  новых объектов – пульсаров, квазаров (квазизвездных 
радиоисточников), космических лучей (частиц высоких энергий), 
микроволнового фонового (реликтового) излучения и поиск теоретически предсказанных «черных дыр» и гравитационных волн. 
Наконец, с позиций теории строения Вселенной в целом (космологии) астрономия изучает структуру пространства – времени 
Вселенной. С астрономией тесно связаны проблема поиска внеземных цивилизаций и разработка способов контактов с ними.
До начала космической эры астрономия была единственной 
наукой, изучающей внеземные объекты природы. Теперь космическими исследованиями занимается не только астрономия. 

Самостоятельное развитие приобретают космонавтика и многочисленные новые отрасли – космическая биология, космическая 
медицина, спутниковая геодезия и другие.
Успех и космонавтики существенно отразились на астрономических способах исследований, внеся в астрономию, помимо наблюдений, и эксперимент.

§ 2. Структура современной астрономии

Современная астрономия – широко разветвленная наука, использующая разнообразные методы и средства познания Вселенной. Разделы астрономии тесно связаны между собой, и среди них 
можно выделить шесть основных.
1. Астрометрия разрабатывает теоретические методы, технику 
измерений на небесной сфере и способы их математической обработки. В ведении астрометрии находится служба времени – его 
определение из астрономических наблюдений. В ведении астрометрии находится т акже и календарь. Одной из важных задач является построение инерциальной системы координат.
Этот же раздел астрономии занимается разработкой способов 
определения из наблюдений географических координат пунктов 
земной поверхности.
В астрометрии можно выделить такие подразделы:
а) сферическую астрономию, разрабатывающую математические методы определения видимых положений и движений небесных светил, а также системы счета времени;
б) практическую астрономию, разрабатывающую способы наблюдений, методы их обработки и теорию астрономических приборов.
Методы практической астрономии применяются в морской, 
авиационной и спутниковой навигации и в геодезии.
2. Небесная механика – наука о пространственном движении 
небесных тел и их систем под действием сил взаимного тяготения 
и иной физической природы. Она изучает фигуры небесных тел и 
их устойчивость, во многом способствует пониманию процессов 
происхождения и эволюции небесных тел и их систем. Практическая задача небесной механик и состоит и в определении элементов орбит небесных тел по данным наблюдений, в предвычислении видимых положений небесных тел.

Вычисление видимых положений (эфемерид) и определение 
орбит небесных тел составляет основу раздела небесной механики, традиционно называемого теоретической астрономией.
Ныне разрабатываются новые способы определения орбит, 
основанные на радиотехнических изм ерениях и лазерной локации.
Небесная механика быстро развива ется в связи с запросами 
космонавтики. На ее базе формируется новая отрасль науки – динамика космического полета.
3. Астрофизика – один из крупнейших разделов современной 
астрономии. Ее задачи состоят в изучении физического состояния 
и процессов, происходящих на поверхнос ти и в недрах небесных 
тел, их химического состава, свойств среды между небесными телами и т.д.
Астрофизика подразделяется на практическую и теоретическую. Первая разрабатывает способы астрофизических наблюдений и их обработки, занимается теорией и практическим применением астрофизических инструментов.
Теоретическая астрофизика занимается объяснением происходящих на небесных телах физических процессов и наблюдаемых 
явлений на основе теоретической физики.
Развитие теоретическо й и э кспериментальной физики , быстрый прогресс техники прив ели к возникновению новых разделов астрофизики. Существенно расширен диапазон электромагнитных волн, используемый в наблюдениях. Возник раздел 
астрофизики, названный радиоастрономией, который исследует 
небесные тела посредством радиолокации и исследования их излучения в радиодиапазоне.
Установка астрономической аппаратуры на искусственных 
спутниках Земли и космических аппаратах позволила существенно расширить исследуемый диапазон спектра электромагнитного 
излучения небесных тел, свободного от помех, создаваемых земной ат мосферой.
К новейшим разделам астрофизики относятся инфракрасная, рентгеновская астрономия, гамма-астрономия и нейт ринная 
астрономия.
4. Звездная астрономия занимается исследованием движения 
и распреде л ения в про странстве звезд, газопылевых туманностей 

и звездных систем, их структурой и эволюцией, проблемой их 
устойчивости.
Одним из больших разделов звездной астрономии является внегалактическая астрономия, занимающаяся исследованием 
свойств  и распределений звездных систем – галактик, которые находятся за пределами нашей звездной системы (она тоже называется Галактикой, но пишется с прописной буквы).
В этих исследованиях используют как результаты наблюдений, так и теоретические законы, и выводы астрометрии, небесной механики и астрофизики.
5. Космогония – раздел астрономии, разрабатывающий проблемы происхождения и эволюции небесных тел и их систем, в частности проблему происхождения Солнечной системы. Правильное 
ее решение может иметь существенное значение для понимания 
современных геофизических и геологических процессов, происходящих в недрах Земли. Космогония занимается и проблемами 
звездообразования.
6. Космология – наиболее интенсивно развивающийся раздел 
астрономии. Ее задача состоит в изучении Вселенной как единого целого, в выявлении геометрической структуры Вселенной, ее 
эволюции и происхождении всех объектов, заполняю щих ее. Наблюдательные основы космол огии опираются на данные астрофизики и звездной астрономии, а теоретические – на наиболее 
общие законы физики: общую теорию относительности, физику 
элементарных частиц и электродинамику.

§ 3. Возникновение и развитие астрономии

Истоки астрономии теряются в глубине веков. Ее начатки 
возникли у всех цивилизованных народов древности. Первые 
астрономич еские сведения о сме не времен года и периодичности 
солнеч ных и лунных затмений были известны еще более четырех тысячелетий назад в Древнем Китае, другой родиной первых 
астрономических знаний в ту же эпоху были страны Ближнего 
Востока и Египет.
Подобно другим наукам, астрономия развивалась в значительной мере благодаря запросам человеческой практики. Развитие 
астрономии было обусловлено потребностями сельскохозяйственного производства – необходимостью счета времени и правильно

го предсказания начала соответствующих сезонов сельскохозяйственных работ, разливов рек и т.д. Прокладка караванных путей, 
военные походы, сезонные перемещения кочевых племен, мореплавание – все это побуждало искать способы ориентирования по 
Солнцу и звездам. Постепенно возрастающие требования к точности предсказания календарных сроков и определения местоположения на земной поверхности привели к созданию простейших 
угломерных астрономических инструментов.
В века, предшествующие началу нашей эры, вместе с развитием математики, прежде всего геометрии, получила развитие и 
астрон омия. Наиболее существенные результаты в астрономии 
были получены древнег реческими астроно м ами. На базе геоцентрической системы мира ими были разра ботаны теории видимых 
движений планет, Луны и Солнца. Большой вклад в эту теорию 
был сделан Гиппархом (II в. до н.э.), а последняя, наиболее со вершенная теория была создана Птолемеем (II в. н.э.).
В пору средневекового мракобесия в Европе науки пришли в 
полный упадок. В эти мрачные времена римская церковь придала 
учению Птолемея откровенно реакционную, теологическую окраску. Прогресс наук стал не возможен.
Лишь арабские и среднеазиатские астрономы в период, предшествующий эпохе Возрождения, смогли добиться значительных 
успе хов. Прогресси ровала техника астрономических наблюдений, 
предвычислялись и корректировались таблицы видимых планетных движений. Исключительных результатов добились среднеазиатские ученые Бируни (973–1048), Улугбек (1394–1449) и другие.
Рост точности наблюдений, накопление богатого наблюдательного материала о видимом движении планет поставили перед учеными сложнейшую задачу – ревизию теории движения планет, созданной Птолемеем, и построение новой теории. Развитию астрономии 
вместе с другими науками способствовало изменение социальноэкономических условий в странах Европы. Развитие в недрах феодализма капиталистических производственных отношений создало 
условия для активизации научных исследований. Великие географические открытия, развитие мореплавания и торгового судоходства 
требовали форсированной разработки способов морской навигации, 
а значит, и астрономии. Надежная морская навигация была невозможна без точной теории движения пла нет, так как по их положению 
определяли координаты кораб лей в открытом море.

Революционным был, опубликованный в 1543 г. многолетний 
труд выдающегося польского ученого Николая Коперника (1473–
1543). Коперник отказался от птолемеевой геоцентричес кой системы мира и в основу своей теории положил гелиоцентрическую 
систему, поместив Солнце в центр мира. Этот смелый шаг имел 
значение, далеко выходящее за пределы астрономии и физики. 
Это был вызов церковному мировоззрению. Коперникова гелиоцентрическая теория активнейшим образом служила утверждению материалистического мировоззрения.
Гелиоцентрическая система мира Коперника явилась краеугол ьным камнем астрономии. Уже в самом начале XVII в. на ее 
основе Иоганн Кеплер (1571–1630), обрабатывая многолетние наблюдения планет, проведенные датским астрономом Тихо Браге 
(1546–1601), установил три закона планетных движений, имеющие не только кинематический, но и динамический характер. С 
открытием Исааком Ньютоном (1643–1727) аксиом динамики и 
закона тяготе ния динамическая астрономия (небесная механика) 
начала свое бурное развитие.
Небесная механика привлекла к себе внимание многих выдающихся математиков мира. Исключительный вклад в небесную 
механику внесли французские математики, в частности Лагранж 
( 1736–1813) и Лаплас (1749–1827), заложившие основы современных теорий движения больших планет и Луны. Во второй половине XIX в. были созданы достаточно точные теории движения 
больших планет, а открытие Нептуна в 1846 г. на основе математиче ских расчетов французского ученого У. Леверье (1811–1877) 
явилось торжеством небесной механики, утвердившей за не й славу одной из самых надежных наук. 
Параллельно с небесной механикой быстрыми темпами развивалась и наблюдательная астрономия. Современные ее методы берут свое начало от Галилея (1564–1642), который первым использовал зрительную трубу в качестве телескопа (1610) и тем самым 
стимулировал как телескопостроение, так и создание астрономического приборостроения вообще. В первые же годы телескопических наблюдений, выполненных Галилеем и его современниками, 
удалось обнаружить много неизвестных ранее явлений. Открытие 
Галилеем спутников Юпитера служило убедительнейшим свидетельством в пользу гелиоцентрической системы Коперника. Земля 

оказалась окончательно низведенной с ее «геоцентрического пьедестала». Изучение поверхности Луны, обнаружение фаз Венеры, 
разложение Млечного Пути на отдельные звезды – все это лишало 
Землю ореола уникал ьности и идеальности и ставило ее в один 
ряд с другими небесными телами.
Много ценных наблюдений было выполнено на грани XVIII 
и XIX вв. В это время благодаря совершенствованию телескопов 
резко возросла их разрешающая способность и улучшилось качество изображений. Астрономы, и прежде всего английский астроном В. Гершель (1738–1822), смогли проникнуть в глубь Вселенной и положить начало изучению звездного мира. Началось систематическое исследование распределения звезд в пространстве, 
были открыты и исследовались звездные скопления и туманности, 
кратные и переменные звезды.
Девятнадцатый век стал веком торжества небесной механики 
и физики небесных тел. В середине XIX в. астрономия взяла на 
свое вооружение фотографию и спектральный анализ. С э тих пор 
зародилась астрофизика, и началось изучение физических процессов на небесных телах.
К началу второй четверти XX в. выяснилось, что звезды входят в состав грандиозной звездной системы – Галактики, а спиральные туманности представляют собой аналогичные звездные 
системы, находящиеся за пределами Галактики. Было обнаружено 
явление разбегания галактик, что указывало на расширение видимой части Вселенной – Метагалактики.
С течен ием времени астрономы не только совершенствовали 
приемники излучения небесных светил, но и подвергали анализу 
все но вые и новые участки их спектров. В 30-х гг. XX в. благодаря 
применению кварцевой оптики стало возможным изучать ультрафиолетовое излучение небесных объектов, а в 40-х гг. XX в. исследование было распространено на радиодиапазон. Возник раздел астрофизики – радиоастрономия. Благодаря радиоастрономии 
были обнаружены новые необычные классы небесных тел – квазары, пульсары, специфическое микроволновое радиоизлучение, 
не связанное ни с одним известным небесным телом, приходящее 
на Землю со всех направлений, похожее на излучение абсолютно 
черного тела с те мпературой около 3 К и получившее название 
фонового реликтового излучения.

1957 г. открыл новый этап в развитии астрономии. Запуск в 
нашей стране первых искусственных спутников и последовавшее 
освоение межпланетного пространства с помощью космических 
аппаратов привели не просто к техническому перевооружению 
астрономии, но и к превращению ее из науки наблюдательной в 
науку экспериментальную. В наши дни астрономические инструменты вынесены за пределы земной атмосферы, и она более не 
препятствует исследованию излучения небесных светил во всех 
диапазонах спектра. С космических аппаратов были обнаружены но вые типы небесных тел – рентгеновские и инфракрасные 
звезды, существенно исследованы быстрые заряженные частицы, 
приходящие из глубин Вселенной, – космические лучи.
Посадка космических аппаратов на Луну, доставка лунного 
грунта на Землю, первая высадка людей на Луну, посадка спускаемых аппаратов на поверхности Венеры и Марса, пролеты космических аппаратов вблизи Юпитера и Сатурна и их спутников – 
вот далеко не полный перечень тех космических экспериментов, 
осуществленных за последнее пол века в СССР и США, которые 
привели к революции в астрономических методах исследования 
Вселенной.

§ 4. Роль астрономии в формировании 
материалистического мировоззрения

Наряду с другими естественными науками астрономия на всем 
протяжении своей истории особенно активно способствовала развитию и укреплению материалистических воззрений на природу. 
Она дала большое количество фактов и строго научных выводов, 
опровергнувших наивные религиозные представления о строении 
и происхождении мира.
Изучение оптическими средствами нашей планетной системы 
и звездных систем дало ученым существенные аргументы против 
геоцентрических учений, против представления об исключительности и привилегированности нашей Земли и Солнечной системы, против религиозных противопоставлений Земли и Неба.
Достижения космонавтики в исследовании ближнего космоса 
и Земли как небесного тела, триумфальное расширение и углубление области астрономических исследований подтверждают с пол