Наблюдения Юпитера и его спутников. Метод Рёмера как

Н а б л ю ден и я Ю п и т ер а и
М ет од Р ём ер а
к а к п ер вы й а ст р он ом и
о п р е д е л е н и я. с к о р о с т
Выполнил:
Баландин Виталий, ученик 4 «А» класса,
МАОУ « Гимназии № 2»
Научный руководитель
Авдеенко Ульяна Сергеевна
г. Нижний Новгород
2014 г.
1
Аннотация
Темой представленной работы является «Наблюдения Юпитера и его спутников.
Метод Рёмера как первый астрономический способ определения скорости
света».
Астрономические наблюдения с давних времён привлекают внимание людей. В
1676г. датский астроном Олаф Рёмер, наблюдая за периодами затмения спутника
Юпитера
Ио,
сделал открытие о конечности скорости света и впервые
рассчитал её величину.
В представленной работе был повторён опыт Рёмера.
На протяжении 6 месяцев проводились наблюдения за выходом спутника
Юпитера Ио. Для наблюдений использовался телескоп и астрономическая
программа Stellarium. Параллельно проводились расчёты времени появления Ио,
исходя из периода обращения Ио вокруг Юпитера равного 42ч 28мин.
В
результате сравнения наблюдаемого времени появления Ио из-за тени Юпитера и
ожидаемого времени в результате расчетов, было выявлено нарастающее
опережение появления Ио. В течение 6 месяцев наблюдений максимальное
опережение составило 18 мин.
Анализ полученных результатов позволяет сделать выводы о том, что Земля при
движении по своей орбите в течение 6 месяцев приближалась к Юпитеру, и
свету требовалось меньше времени, чтобы пройти от Юпитера до Земли.
проведён
расчёт
скорости
света
который
составил
Был
277.777км/с
(полученный результат близок к современным данным скорости света – 299.790
км\с).
Т.о. представленная работа демонстрирует, как астрономические наблюдения
позволяют понимать и изучать законы природы.
2
Оглавление
1. Введение
2. Цели и задачи
3. Основная часть

Нахождение Юпитера на звёздном небе.

Планета Юпитер и его спутники

История изучения скорости света

Описание опыта Ремера

Описание собственных наблюдений.

Методика наблюдений.

Описание наблюдений

Таблица наблюдений

Анализ проведенных нами наблюдений.

Расчет скорости света.
4. Выводы
5. Заключение
6. Список использованных источников: литература и Интернет-ресурсы.
3
1. Введение
На протяжении последних двух лет я увлекаюсь астрономией, именно поэтому
темой своей работы я выбрал исследования в области астрономии.
Наблюдения
звездного
неба
с
древних
времен
привлекали
людей.
Закономерности в мире планет позволяют лучше понять и изучать процессы и
законы природы на Земле.
2013-14гг.
является временем благоприятным для наблюдения на наших
широтах планеты Юпитер и его спутников.
Давно, а именно в 1676году, в Парижской обсерватории, датский астроном Олаф
Рёмер, наблюдая за периодами затмения спутника Ио, сделал открытие о
конечности скорости света и впервые рассчитал её величину.
Мне было интересно побыть в роли древнего астронома, и, наблюдая за
периодами вращения спутника Юпитера Ио, повторить опыт Рёмера.
2. Цели и задачи
Цель исследования:
- Наблюдения за периодами обращения спутника Ио вокруг Юпитера,
- Анализ полученных результатов.
Задачи исследования:
- Изучить информацию о местоположении Юпитера на звёздном небе.
- Подготовка необходимого оборудования для наблюдений.
- Регистрация времени появления Ио из-за тени Юпитера при периодических
наблюдениях.
- Проведение расчета предполагаемого времени появления Ио.
- Проанализировать полученные результаты наблюдений, сделать выводы.
- Рассчитать скорость света.
4
3. Основная часть
Нахождение Юпитера на звёздном небе.
Юпитер – самая крупная планета солнечной системы и является одним из
интереснейших объектов для наблюдения астрономами
Для нахождения Юпитера на звёздном небе необходимо воспользоваться
астрономическим
календарём
на
2013,
2014
год
или
специальными
компьютерными программами (я в своей работе использовал программу
Stellarium). Из данных астрономического календаря на 2014 год , известно, что 6
января 2014г. Юпитер вступил в противостояние, т.е. в такое положение, когда
Солнце, Земля и Юпитер находились на одной линии. Это наилучший период
видимости Юпитера, т.к. в это время он достигает максимальной видимой
звёздной величины: –2,8m, что делает его третьим по яркости объектом на
ночном небе после Луна (в полнолуние): -12,74 и Венеры (в максимуме блеска):
-4,67
В настоящее время с наступлением темноты, Юпитер виден в виде ярко-желтой
звезды высоко в юго-восточной части неба в центральной части созвездия
Близнецов.
Планета находится в попятном движении (с востока на запад).
На рисунке представлен вид звёздного неба: местонахождение - Нижний
Новгород, время наблюдений январь – февраль (см. рис. 1)
Рис 1. Положение Юпитера январской ночью 2014 года в средних широтах России
5
В телескоп видны на диске Юпитера две темные полосы облаков, параллельных
экватору. Большое Красное Пятно – загадочное вихревое образование в
атмосфере этого газового гиганта. Уже более 300 лет астрономы наблюдают за
мощным огромным ураганом на планете - Большим Красным Пятном. Пятно
расположено примерно на 22° южной широты и перемещается параллельно
экватору планеты (см. рис.2).
Рис.2 Фотография Юпитера со спутником
Помимо подробностей на диске планеты вокруг Юпитера можно увидеть
маленькую свиту из ярких звездочек. В зависимости от времени наблюдений
количество звездочек варьируется от одной до четырех. Это знаменитые
галилеевы спутники Юпитера — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, которые
видны уже в бинокль. Их конфигурация меняется день ото дня; в телескоп можно
проследить за интересными явлениями в системе Юпитера — вхождением
спутников в тень планеты или за их прохождением перед диском Юпитера, когда
крошечные спутники сами отбрасывают тень на планету-гигант.
6
Для своих наблюдений я использовал телескоп с увеличением 300x (с
трёхсот кратным увеличением), проводил наблюдения на нескольких телескопах
в
астрономической
обсерватории
Нижегородского
планетария.
При плохой видимости в связи с атмосферными явлениями использовал
наблюдения в астрономической программе Stellarium.
Таким виден Юпитер при съемках космическим телескопом (рис. 2)
Рис.3 Фотография Юпитера с космического телескопа HABBLE.
Фотографии Юпитера и его спутников, сделанные мною в процессе наблюдений.
Рис.4 – Фото Юпитера и его спутников при наблюдении в телескоп.
7
Планета Юпитер и его спутники
Юпитер относится к планетам-гигантам. Он настолько огромен, что
может вместить в себя 1300 объемов Земли. Однако его плотность намного
уступает земной и составляет 1330 кг/м³, что почти соответствует плотности
воды (1000 кг/м). Состоит Юпитер из водорода и гелия. Свое название планета
получила в честь главного бога античной мифологии – римляне называли его
Юпитером, а греки Зевсом. Его орбита находится на пятом месте по мере
отдаления от Солнца на среднем расстоянии в 778,6 млн. км от звезды.
Рис.5 Орбиты спутников Юпитера
Сегодня
планируются и дальнейшие исследования спутников Юпитера
с
помощью автоматических межпланетных станций (АМС).
Это интереснейшие новые миры, каждый со своей историей, загадками и
явлениями. Так,
например: спутник Ио (см. рис. 6) открытый Галилеем
8 января 1610 года, является самым близким галилеевым спутником Юпитера.
Расстояние от Ио до самых внешних слоев атмосферы Юпитера почти такое же,
как между Луной и Землей - около 350 000 км. Следует сказать, что Ио давно
удивляет астрономов. По многим основным параметрам он похож на Луну.
Масса и объем почти не отличаются, радиус Ио лишь на 100 км больше лунного
радиуса, силы притяжения обоих спутников так же похожи (Ио - 1,8 м/с², Луна 1,62 м/с² . ). Ио — довольно массивное небесное тело: его масса 8,92х1025 г (это
на 20% больше массы Луны), а средняя плотность составляет 3,53 г/см 3. Диаметр
Ио 3620 км (Луны 3476 км). Характерным отличием между Ио и другими
спутниками Юпитера является большая вулканическая активность на ее
поверхности. За счет маленького расстояния от планеты и большой массы
Юпитера, гравитационная сила вращает Ио вокруг планеты со скоростью 62 400
км/ч (в 17 раз больше скорости вращения Луны). Таким образом, год на Ио
длится всего 42,5 часов, поэтому наблюдать спутник можно почти каждую ночь.
Время от одного появления Ио из-за тени Юпитера до следующего появления
является величиной постоянной и известной – 24ч., 18ч. 29мин.
9
Рис. 6 Спутник Юпитера Ио
История изучения скорости света
Наблюдения за периодом вращения Ио и сравнение его с табличными
расчетными значениями позволило
датскому
ученому О. Ремеру сделать
открытие о природе и конечности скорости света.
О природе света размышляли с древних времен. Древнегреческий
математик и философ Пифагор (около 580-500 лет до нашей эры) предполагал,
что свет – это истечение «атомов» от предметов в глаза наблюдателя.
В 16-17 в. французский физик Рене Декарт и голландский физик
Христиан Гюйгенс
исходили из того, что распространение света – это
распространение волн в среде.
Английский физик Исаак Ньютон выдвигал гипотезу о корпускулярной
природе света, т.е. считал, что свет – это излучение телами определенных частиц
и их распространение в пространстве.
Одна из первых попыток измерить скорость света принадлежала Галилео
Галилею.
На вершине двух холмов на расстояние 1,5 км. друг от друга
находились два наблюдателя с фонарями. Первый наблюдатель подавал сигнал
фонарём другому, который, увидев свет, посылал сигнал своим фонарём обратно.
Промежуток времени между посылкой и приёмом сигнала первый наблюдатель
измерял по числу ударов пульса. Время получалось конечным и очень малым.
10
Галилей понял, что задержка ответного сигнала связана со скоростью реакции
мышечной систем человека, а не с конечной скоростью света.
В наши дни ясно, что с помощью экспериментальной техники XVII в.
измерение скорости света в земных условиях было невозможно. Поэтому
совершенно естественно, что первые доказательство конечности скорости
света и первая оценка ее величины были получены в астрономии. Автором
этого доказательства был датский ученый Олаф Рёмер.
О л а ф (Оле) Р ёмер родился в Ааргузе в
Ютландии 25 сентября 1644 г. в семье купца.
Образование
он получил
в
Копенгагенском
университете, где сначала изучал медицину, а
затем занялся физикой и астрономией под
руководством
Э.
Бартолина.
В
1671
г.
французский астроном Ж. Пикар, приехавший
в
Данию
для
определения
географических
координат знаменитой обсерватории Т. Браге,
пригласил Ремера для работы в Парижской
обсерватории. Рёмер принял приглашение. В Париже Рёмер не только
проводил разнообразные астрономические наблюдения, но и участвовал в
решении ряда технических проблем, а также обучал математике наследника
французского престола.
Работая в Обсерватории, в 1676 г. он сделал
открытие первостепенной
важности - доказал конечность скорости света. Установление О. Рёмером
конечности скорости света явилось «побочным продуктом» его наблюдений
одного из спутников Юпитера. Эти наблюдения велись в надежде составить
таблицу затмений спутника, которую можно было бы использовать для
определения географической долготы точек земной поверхности на море.
Сравнение местного времени начала или конца затемнения с табличным
11
значением (определенным для фиксированной точки) позволило бы найти
долготу места наблюдения. Во время наблюдений было обнаружено, что в
затмениях
первого спутника
периодичности, которые
Юпитера
О. Рёмер
наблюдаются
объяснил
отклонения
конечностью
от
скорости
распространения света.
Описание опыта Ремера
Рёмер наблюдал затмения спутников Юпитера.
Он видел, как спутник Ио
проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля
зрения. Затем он опять появлялся как мгновенно вспыхнувшая лампа.
Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 ч 28 мин.
Таким образом, эта «луна» представляла собой громадные небесные часы, через
равные промежутки времени посылавшая свои сигналы на Землю. В начале
измерения производились в то время, когда Земля при своем движении вокруг
Солнца ближе всего подошла к Юпитеру (1). Такие же измерения, проведенные
несколько месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера (2). Полученные
результаты неожиданно показали, что спутник опоздал появиться из тени на
целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было
рассчитать на основании знания периода обращения Ио.
О. Рёмер объяснял это так: «Если бы я мог остаться на другой стороне
земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное
время, наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 мин раньше.
Запаздывание в этом случае происходит от того, что свет употребляет 22
мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего
теперешнего положения».
12
Рис. 7: Опыт О. Ремера
Проводя наблюдения затмений Рёмер, заметил, что моменты затмений
сдвигаются во времени в зависимости от положения Земли на орбите, а именно,
когда Земля находится ближе к Юпитеру, моменты затмений наступают ранее
усреднённых на больших интервалах времени средних значений, а когда Земля
находится дальше от Юпитера — отстают.
Максимальное
запаздывание 22 минуты
соответствовало
увеличению расстояния между Землей и Юпитером
максимальному
на диаметр земной
орбиты. О. Рёмер догадался, что причиной этого запаздывания является
конечность
скорости
света. Принимая размеры диаметра
земной орбиты
равными 300 млн. км (приблизительно два расстояния от Солнца до Земли) и,
разделив это расстояние на полученное максимальное время запаздывания (22
минуты или 1320 сек.), О. Рёмер нашел, что скорость света (С) превышает 200
000 км/с. Этот расчет можно отразить формулой:
С = 300 000 000 : 1320с. = 228.000 км/с
Вероятно, это был один из первых в истории науки случаев, когда ученый
пользовался Вселенной как гигантской естественной лабораторией! О. Рёмер
получил значения скорости света, которые на 26%
13
меньше современных
значений этой величины. Но за это вряд ли можно его упрекнуть: мы же знаем,
какими приборами измерял время его великий современник Галилео Галилей.
Эта существенная ошибка объясняется тем, что в то время были неизвестны с
достаточной точностью величина астрономической единицы (расстояние от
Солнца до Земли) и элементы орбиты Юпитера. Астрономический способ
измерения скорости света широко использовался физиками в течение трех веков,
прошедших после наблюдений и расчетов Рёмера. Сейчас общепринятым
считается значение скорости света в вакууме равное 299,79 тысячи километров в
секунду.
Описание собственных наблюдений.
Методика наблюдений
Для своих наблюдений я использовал телескоп с увеличением 300x , проводил
наблюдения
на
нескольких
телескопах
астрономической
обсерватории
Нижегородского планетария. При плохой видимости в связи с атмосферными
явлениями использовал наблюдения в астрономической программе Stellarium.
Рис. 8 Фото проведение наблюдений в телескоп
14
Рис.9 Фото наблюдений в астрономической программе Stellarium
Описание наблюдений

На протяжении 6 месяцев
– с 23 сентября 2013г. по 21 марта 2014г.
проводились наблюдения за появлением Ио из-за тени Юпитера (наблюдения
проводились по программе Stellarium и с помощью телескопа)
 Результаты наблюдений зафиксированы в таблице.
 Параллельно проведены расчеты времени появления Ио, исходя из периода
обращения Ио вокруг Юпитера равного 42ч. 28 мин.
 Проведены вычисления отклонений расчетного времени и времени,
зафиксированного в наблюдениях.
15

Наблюдается нарастающее опережение появления Ио из-за тени Юпитера.
В течение 6 месяцев наблюдений максимальное опережение составило 18
мин.
Таблица наших наблюдений
Дата
23. 09. 13г.
25. 09. 13г.
27. 09. 13г.
29. 09. 13г.
01.10. 13г.
02.10. 13г.
04.10. 13г.
06.10. 13г.
08.10 13г.
09.10. 13г.
11.10. 13г.
13.10. 13г.
15.10. 13г.
16.10. 13г.
18.10. 13г.
20.10. 13г.
22.10. 13г.
24.10. 13г.
25.10. 13г.
27.10. 13г.
29.10. 13г.
31.10. 13г.
01.11.13г.
03.11.13г.
05.11.13г.
07.11.13г.
08.11.13г.
10.11.13г.
12.11.13г.
14.11.13г.
16.11.13г.
17.11.13г.
19.11.13г.
21.11.13г.
23.11.13г.
Время расчетное,
полученное нами,
исходя из периода
обращения Ио
42ч. 28мин.
23:13
17:41
12:09
06:37
01:05
19:33
14:01
08:29
02:57
21:25
15:53
10:21
04:49
23:17
17:45
12:13
06:40
01:08
19:36
14:04
08:32
03:00
21:28
15:56
10:24
04:52
23:20
17:48
12:16
06:44
01:12
19:40
14:08
08:36
03:04
Время появления
Ио, полученное
нами
из наблюдений
Величина
отклонения
от расчетного
времени
в мин.
23:13
17:41
0
0
06:37
01:05
19:33
14:01
0
0
0
0
02:57
21:25
0
0
04:49
23:17
17:45
0
0
0
0
06:39
01:07
19:35
+1
+1
+1
08:31
02:59
21:27
+1
+1
+1
23:18
+2
19:38
+2
08:33
+3
16
24.11.13г.
26.11.13г.
28.11.13г.
30.11.13г.
01.12.13г.
03.12.13г.
05.12.13г.
07.12.13г.
09.12.13г.
10.12.13г.
12.12.13г.
14.12.13г.
16.12.13г.
17.12.13г.
19.12.13г.
21.12.13г.
23.12.13г.
24.12.13г.
26.12.13г.
28.12.13г.
30.12.13г.
01.01.14г.
02.01.14г.
04.01.14г.
06.01.14г.
08.01.14г.
09.01.14г.
11.01.14г.
13.01.14г.
15.01.14г.
16.01.14г.
18.01.14г.
20.01.14г.
22.01.14г.
24.01.14г.
25.01.14г.
27.01.14г.
29.01.14г.
31.01.14г.
01.02.14г.
03.02.14г.
05.02.14г.
07.02.14г.
08.02.14г.
10.02.14г.
12.02.14г.
14.02.14г.
21:32
16:00
10:28
04:56
23:24
17:52
12:20
06:48
01:16
19:44
14:12
08:40
03:08
21:36
16:04
10:32
05:00
23:28
17:56
12:24
06:52
01:20
19:48
14:16
08:44
03:12
21:40
16:08
10:36
05:04
23:32
18:00
12:28
06:56
01:24
19:52
14:20
08:48
02:16
20:44
15:12
09:40
04:08
22:36
17:04
11:32
06:00
21:29
+3
23:20
+4
01:11
+5
21:30
+6
04:53
+7
19:40
+8
03:03
21:31
+9
+9
23:22
+10
19:41
+11
02:04
20:32
+12
+12
22:23
+13
17
16.02.14г.
17.02.14г.
19.02.14г.
21.02.14г.
23.02.14г.
24.02.14г.
26.02.14г.
28.02.14г.
02.03.14г.
03.03.14г.
05.03.14г.
07.03.14г.
09.03.14г.
11.03.14г.
12.03.14г.
14.03.14г.
16.03.14г.
18.03.14г.
19.03.14г.
21.03.14г.
00:28
18:56
13:24
07:52
02:20
20:48
15:16
09:44
04:12
22:40
17:08
11:36
06:04
00:32
19:00
13:28
07:56
02:24
20:52
15:20
00:14
18:42
+14
+14
20:33
+15
22:24
+16
00:16
+17
14:58
+18
Анализ проведенных нами наблюдений.
В начале наблюдений расчеты времени появления Ио соответствовали 42ч.28мин.
Отклонений в расчетах и времени наблюдений не отмечается.
С
конца
октября
наблюдается
несоответствие
времени
появления
Ио
наблюдаемого и ожидаемого. С 22 октября Ио выходит из тени Юпитера раньше
ожидаемого время – начиная с опережения в 1 мин. Постепенно время опережения
нарастает, максимальное опережение за
6 мес. составило
18 мин.
Расчет скорости света.
За период своего приближения к Юпитеру при движении по орбите, Земля за 6
месяцев наблюдения переместилась на расстояние диаметра своей орбиты
(диаметр орбиты Земли – приблизительно 300 млн. км). Время, которое потратил
свет на прохождение этого расстояния – 18 мин (1080 сек.).
По результатам моих наблюдений проведен расчет:
300 000 000 : 1080с. (18 мин) = 277 777 км/с
Таким образом:
18
Данные Рёмера
- 228 000 км/с
Наш результат
- 277 777 км/с
Современные данные - 299 790км/с
Полученный нами результат 277.777 км\с больше результа
О. Рёмера и ближе
к современным данным измерения скорости света в вакууме.
Выводы:
По результатам наших наблюдений за спутником Юпитера Ио, можно сделать
следующие выводы:

Период обращения спутника Ио вокруг Юпитера равен 42ч. 28мин.

Спутник появляется раньше расчетного времени, это связано с тем, что
свету требуется меньше времени для достижения Земли, т.е. мои наблюдения
происходили тогда, когда Земля приближалась к Юпитеру при своем движении
по орбите.

На рис. 10 – L1 – путь прохождения света в начале наблюдений
L2 – путь прохождения света в конце наблюдений (спустя 6 мес.)
L1-L2 величина, приближенно равная диаметру орбиты Земли.
Рис. 10
19
Это же явление описал О. Рёмер в своих наблюдениях за спутником Юпитера
Ио, замечая запаздывание его появления, т.к. Земля отдалялась от Юпитера.
Заключение

Проведенные наблюдения Юпитера и периодов обращения спутника
Ио позволили повторить опыт Олафа Рёмера.

Анализ полученных результатов привёл к выводам о конечности
скорости света.

Примененный нами астрономический метод определения скорости
света О. Рёмера, позволил получить величину скорости света, отличную от
современных данных приблизительно на 17%.
Список использованных источников:
литература и Интернет-ресурсы.
1. Марк Колтун «Мир физики», Москва «Детская литература», 1987 г.
2. Филонович С.Р. "Самая большая скорость" М.: Наука, 1983г.
3. Марио Льюцци. История физики. / пер.с ит. Э.Л. Бурштейна, - М.:
Мир, 1970.
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%EA%EE%F0%EE%F1%F2%FC_
%F1%E2%E5%F2%E0
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CE%EF%FB%F2_%D4%E8%E7%EE
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D1%8C%D1%8E
%D1%82%D0%BE%D0%BD,_
%D0%98%D1%81%D0%B0%D0%B0%D0%BA#.D0.9E.D0.BF.D1.82.D0
.B8.D0.BA.D0.B0_.D0.B8_.D1.82.D0.B5.D0.BE.D
20
7. http://www.nobellaureate.ru/scientific_technical_library/books_about_laur
eats/light_speed/chapter_1/head_2
8. Большая энциклопедия школьника http://for-schoolboy.ru/O-skorosti-
sveta-156.html
21