Astronomi: Definition och introduktion till stjärnor, galaxer och kosmologi

Forntida historia

De tidiga astronomerna använde bara sina ögon för att titta på stjärnorna. De gjorde kartor över konstellationer och stjärnor av religiösa skäl och kalendrar för att räkna ut tiden på året. Tidiga civilisationer som mayafolket och de gamla egyptierna byggde enkla observatorier och ritade kartor över stjärnornas positioner. De började också fundera över jordens plats i universum. Länge trodde man att jorden var universums centrum och att planeterna, stjärnorna och solen kretsade runt den. Detta är känt som geocentrism. Astronomi kommer från grekiskans astron (ἄστρον) som betyder "stjärna" och nomos (nόμος) som betyder "lag").

De gamla grekerna försökte förklara solens och stjärnornas rörelser genom att göra mätningar. En matematiker vid namn Eratosthenes var den förste som mätte jordens storlek och bevisade att jorden är en sfär. En annan matematiker vid namn Aristarchus lade fram en teori om att solen är centrum och att jorden rör sig runt den. Detta kallas heliocentrism. Endast ett fåtal personer ansåg att den var riktig. Resten fortsatte att tro på den geocentriska modellen. De flesta av namnen på konstellationer och stjärnor kommer från greker från den tiden.

Arabiska astronomer gjorde många framsteg under medeltiden, bland annat förbättrade stjärnkartor och metoder för att uppskatta jordens storlek. De lärde sig också av de gamla genom att översätta grekiska böcker till arabiska.

Från renässans till modern tid

Under renässansen trodde en präst vid namn Nicolaus Copernicus att jorden inte var alltings centrum, eftersom han såg hur planeterna rörde sig. Utifrån tidigare arbeten menade han att jorden var en planet och att alla planeter rörde sig runt solen. Detta förde tillbaka den gamla idén om heliocentrism. Galileo Galilei byggde sina egna teleskop och använde dem för att för första gången titta närmare på stjärnorna och planeterna. Han höll med Kopernikus. Den katolska kyrkan ansåg att Galileo hade fel. Han tillbringade resten av sitt liv i husarrest. Heliocentriska idéer förbättrades snart av Johannes Kepler och Isaac Newton, som uppfann gravitationsteorin.

Efter Galileo tillverkade man bättre teleskop och använde dem för att se objekt på längre avstånd, till exempel planeterna Uranus och Neptunus. De såg också hur stjärnor liknade vår sol, men i olika färger och storlekar. De såg också tusentals andra avlägsna objekt som galaxer och nebulosor.

Den moderna eran

Under 1900-talet efter 1920 skedde viktiga förändringar inom astronomin.

I början av 1920-talet började man acceptera att den galax vi lever i, Vintergatan, inte är den enda galaxen. Existensen av andra galaxer fastställdes av Edwin Hubble, som identifierade Andromeda-nebulosan som en annan galax. Det var också Hubble som bevisade att universum expanderar. Det fanns många andra galaxer på stora avstånd och de är på väg tillbaka, de rör sig bort från vår galax. Det var helt oväntat.

År 1931 upptäckte Karl Jansky radiostrålning utanför jorden när han försökte isolera en källa till brus i radiokommunikationen, vilket innebar radioastronomins födelse och de första försöken att använda en annan del av det elektromagnetiska spektrumet för att observera himlen. De delar av det elektromagnetiska spektrumet som atmosfären inte blockerade öppnades nu upp för astronomin, vilket gjorde det möjligt att göra fler upptäckter.

När detta nya fönster till universum öppnades upptäcktes helt nya saker, till exempel pulsarer som regelbundet sänder ut radiovågor i rymden. Först trodde man att vågorna var av utomjordiskt ursprung eftersom pulserna var så regelbundna att de tydde på en artificiell källa.

Under perioden efter andra världskriget byggdes fler observatorier där stora och exakta teleskop byggs och drivs på bra observationsplatser, vanligtvis av regeringar. Bernard Lovell inledde till exempel radioastronomi vid Jodrell Bank med hjälp av överbliven militär radarutrustning. År 1957 hade platsen världens största styrbara radioteleskop. I slutet av 1960-talet började man bygga särskilda observatorier vid Mauna Kea på Hawaii, en bra plats för synliga och infraröda teleskop tack vare den höga höjden och den klara himlen.

Nästa stora revolution inom astronomin skedde tack vare raketverksamheten. Detta gjorde det möjligt att placera teleskop i rymden på satelliter.

Rymdteleskopen gav för första gången i historien tillgång till hela det elektromagnetiska spektrumet, inklusive strålar som tidigare blockerats av atmosfären. Röntgenstrålar, gammastrålar, ultraviolett ljus och delar av det infraröda spektrumet öppnades alla för astronomin när observationsteleskopen lanserades. Liksom med andra delar av spektrumet gjordes nya upptäckter.

Från 1970-talet lanserades satelliter som ersattes av mer exakta och bättre satelliter, vilket ledde till att himlen kunde kartläggas i nästan alla delar av det elektromagnetiska spektrumet.

Upptäckter kan delas in i två typer: kroppar och fenomen. Kroppar är saker i universum, oavsett om det är en planet som vår jord eller en galax som vår Vintergata. Fenomen är händelser och skeenden i universum.

Kroppar

För enkelhetens skull har det här avsnittet delats upp efter var dessa astronomiska kroppar kan hittas: de som finns runt stjärnor är solkroppar, de som finns i galaxer är galaktiska kroppar och allt annat större är kosmiska kroppar.

Solenergi

• Planeter
• Asteroider
• Kometerna

Galaktisk

• Stjärnor

Diffusa objekt:

• Nebulosor
• Kluster

Kompakta stjärnor:

• Vita dvärgstjärnor
• Neutronstjärnor
• Svarta hål

Cosmic

• Galaxer
• Galaxkluster
• Superkluster

Fenomen

Utbrottshändelser är händelser där det sker en plötslig förändring i himlen som snabbt försvinner. De kallas för "bursts" eftersom de normalt förknippas med stora explosioner som ger upphov till en "explosion" av energi. De omfattar bland annat följande:

• Supernovor
• Novas

Periodiska händelser är sådana som inträffar regelbundet på ett upprepande sätt. Namnet periodisk kommer från period, som är den tid som en våg behöver för att fullborda en cykel. Periodiska fenomen är bland annat följande:

• Pulsarer
• Variabla stjärnor

Bullerfenomen tenderar att relatera till saker som hände för länge sedan. Signalen från dessa händelser studsar runt i universum tills den verkar komma från alla håll och kan variera lite i intensitet. På så sätt är det "brus", den bakgrundssignal som genomsyrar alla instrument som används för astronomi. Det vanligaste exemplet på brus är statisk elektricitet som syns på analoga tv-apparater. Det viktigaste astronomiska exemplet är den kosmiska bakgrundsstrålningen.

Instrument

• Teleskop är det viktigaste verktyget för observation. De tar upp allt ljus från ett stort område och lägger det på ett litet område. Det är som att göra ögonen mycket stora och kraftfulla. Astronomer använder teleskop för att titta på saker som är långt borta och svaga. Teleskopen får föremålen att se större, närmare och ljusare ut.
• Spektrometrar studerar ljusets olika våglängder. Detta visar vad något är gjort av.
• Många teleskop finns i satelliter. De är rymdobservatorier. Jordens atmosfär blockerar vissa delar av det elektromagnetiska spektrumet, men speciella teleskop ovanför atmosfären kan upptäcka den strålningen.
• Radioastronomi använder radioteleskop. Apertursyntes kombinerar mindre teleskop för att skapa en fasad matris, som fungerar som ett teleskop som är lika stort som avståndet mellan de mindre teleskopen.

Tekniker

Det finns sätt för astronomer att få bättre bilder av himlen. Ljus från en avlägsen källa når en sensor och mäts, vanligtvis av ett mänskligt öga eller en kamera. För mycket svaga källor kan det hända att det inte kommer tillräckligt med ljuspartiklar från källan för att den ska kunna ses. En teknik som astronomer har för att göra den synlig är att använda integration (vilket är som längre exponeringar i fotografi).

Integration

Astronomiska källor rör sig inte särskilt mycket: det är endast jordens rotation och rörelse som gör att de rör sig över himlen. När ljuspartiklarna med tiden når kameran träffar de samma plats, vilket gör den ljusare och mer synlig än bakgrunden, tills den kan ses.

Teleskop vid de flesta observatorier (och satellitinstrument) kan normalt följa en källa när den rör sig över himlen, vilket gör att stjärnan ser stilla ut för teleskopet och möjliggör längre exponeringar. Dessutom kan bilder tas under olika nätter så att exponeringarna sträcker sig över timmar, dagar eller till och med månader. I den digitala eran kan digitaliserade bilder av himlen läggas samman av en dator som lägger bilderna över varandra efter att ha korrigerat för rörelser.

Adaptiv optik

Adaptiv optik innebär att man ändrar formen på spegeln eller linsen när man tittar på något för att se det bättre.

Analys av uppgifter

Dataanalys är processen för att få ut mer information ur en astronomisk observation än genom att bara titta på den. Observationen lagras först som data. Därefter används olika tekniker för att analysera dessa data.

Fourieranalys

Fourieranalys i matematik kan visa om en observation (under en viss tid) förändras periodiskt (förändras som en våg). Om så är fallet kan man utläsa frekvenserna och typen av vågmönster och hitta många saker, bland annat nya planeter.

Pulsarer pulserar regelbundet i radiovågor. Dessa visade sig likna vissa (men inte alla) av en typ av ljuskälla i röntgenstrålning som kallas för en binär röntgenkälla med låg massa. Det visade sig att alla pulsarer och vissa LMXB:er är neutronstjärnor och att skillnaderna berodde på den miljö som neutronstjärnan befann sig i. De LMXB som inte var neutronstjärnor visade sig vara svarta hål.

I det här avsnittet försöker vi ge en översikt över viktiga områden inom astronomin.

Astronomi i solen

Solastronomi är studiet av solen. Solen är den stjärna som ligger närmast jorden på cirka 92 miljoner (92 000 000) mils avstånd. Den är den lättaste att observera i detalj. Att observera solen kan hjälpa oss att förstå hur andra stjärnor fungerar och bildas. Förändringar i solen kan påverka vädret och klimatet på jorden. En ström av laddade partiklar som kallas solvinden skickas ständigt iväg från solen. Solvinden som träffar jordens magnetfält orsakar norrskenet.

Planetarisk astronomi

Planetarisk astronomi är studiet av planeter, månar, dvärgplaneter, kometer och asteroider samt andra små objekt som kretsar kring stjärnor. Planeterna i vårt eget solsystem har studerats ingående av många besökande rymdfarkoster som Cassini-Huygens (Saturnus) och Voyager 1 och 2.

Galaktisk astronomi

Galaktisk astronomi är studiet av avlägsna galaxer. Att studera avlägsna galaxer är ett bra sätt att lära sig om vår egen galax, eftersom gaserna och stjärnorna i vår egen galax gör den svår att observera. Galaktiska astronomer försöker förstå galaxernas struktur och hur de bildas genom att använda olika typer av teleskop och datorsimuleringar.

Astronomi för gravitationsvågor

Gravitationsvågsastronomi är studiet av universum i gravitationsvågsspektrumet. Hittills har all astronomi som har bedrivits använt det elektromagnetiska spektrumet. Gravitationsvågor är krusningar i rymdtiden som sänds ut av mycket täta objekt som ändrar form, bland annat vita dvärgar, neutronstjärnor och svarta hål. Eftersom ingen har kunnat upptäcka gravitationsvågor direkt har gravitationsvågsastronomins inverkan varit begränsad.